HAL Id: jpa-00249731
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Submitted on 1 Jan 1997
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des reseaux électriques : modélisation, simulation numérique et expérimentation
C. Lott, O. Lapierre, H. Pouliquen, S. Saadate
To cite this version:
C. Lott, O. Lapierre, H. Pouliquen, S. Saadate. Filtrage actif des harmoniques en courant et en tension des reseaux électriques : modélisation, simulation numérique et expérimentation. Journal de Physique III, EDP Sciences, 1997, 7 (12), pp.2433-2457. �10.1051/jp3:1997269�. �jpa-00249731�
en en
r4seaux 41ectriques : mod41isation, simulation num4rique et
expdrimentation
C. Lott (~), O. Lapierre (~), H. Pouliquen (~) et S. Saadate (~,*)
(~) CEGELEC-DEI, 3 avenue des Trois ChAnes, 90018 Belfort, France (~) EDF-DER, avenue du G6n4raI de Gaulle, 92141 Clamart, France (~) GREEN-UHP, Universit4 Henri Poincar4 Nancy 1, B-P. 239,
54506 Vandoeuvre lAs Nancy, Ftauce
(Regu le 29 janvier 1997, rdvisd le 10 jwllet 1997, acceptd le 28 aofit 1997)
PACS.84 30.Jc Power electronics; power supply circuits PACS.84 30.Vn Filters
PACS.8470.+p High currents and high voltage technology: power systems, power transmission lines and cables (including superconducting cables)
R4sum6. Les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusdidaux et consom-
ment g6nAralement de la puissance r4active. Ces deux ph4nomAnes nouveaux sur le r4seau out
engendr4 un certain nombre de perturbations allant du dysfonctionnement d'un 4quipement jusqu'h la destruction d'une partie des 4quipements connect4s Dans cet article, Ies problAmes lids aux perturbations g4n6r4es par Ies convertisseurs statiques out 4t4 4tud14s et des solutions
visant h Ies 4Iiminer out 4t4 pr4sent4es. Elles portent sur les m6thodes de filtrage passif et actif.
Quelques 414ments de d4finition et de dimensionnement de filtres passifs sort donn4s. Le filtrage actif est ensuite trait4 Les deux structures, courant et tension, sort 4tud16es et la structure
tension a 4t4 retenue pour la suite de I'article. DiffArents principes de contr6Ie du filtre actif h structure tension out AtA prAsentAs. La mdthode d'identification des harmoniques par le principe du calcul des puissances active et rdactive instantandes dome des rAsultats satisfaisants. Des
simulations uumAriques out AtA rAalisAes Eufiu uue maquette expArimeutale de 100 kVA
a AtA
rAalisAe et testAe sur uu site industriel. Les essais de la maquette out montrA de bounes perfor-
mances du filtre actif h thyristor GTO. Le filtrage en tension d'un jeu de barres perturbd par
un convertisseur de 5 MVA connectd sur un rdseau amont a dgalement dtA rdalisd et 6tudid darts
cet article.
Abstract. Static converters generate harmonic currents and consume reactive power. These
new phenomena on the mains generate some perturbations going from malfunction to destruction of the connected sensible equipments In this paper disturbances generated by static converters
are studied. Some solutions based on passive and active filtering are presented. Some passive fil- ter design elements are given. Active filter is then studied. Both structures, current and voltage,
are studied and voltage source structure is chosen. Different active filter control principles are presented. The active and reactive instantaneous power theory give good results for harmonic
identification Some numerical simulation are realized A 100 kVA prototype is realized and tested on an industrial site. The GTO prototype shows good results for harmonic filtering. The voltage active filtering is also presented. The active filter eliminates voltage harmonics on 400 V
busbar generated by a MVA SCR bridge connected in 15 kV busbar
(*) Auteur auquel doit Atre adressAe la correspondance (e-mail : ssaadatefiensem.u-nancy.fr)
@ Les iditions de Physique 1997
+ I.
-I.
7~e.@u;div vertical 4.@os.din hertz.
Fig. 1. Allure du courant au secondaire d'un transformateur destind h alimenter un convertisseur de puissance.
[Secondary current of a transformer when loaded by a high power converter.]
Introduction gdndrale
L'utilisation d'dlectronique de puissance a contribu4 ces derniAres annAes, h l'amAlioration des
performances des procAdAs ainsi qu'h une diminution du cofit de 'fonctionnement des Aquipe-
ments.
La figure 1 reprdsente l'allure du courant mesurA dans un transformateur destinA h alimenter
un convertisseur statique. Les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusoidaux
et consomment g6n6ralement de la puissance rAactive [1]. Le rAseau quant h lui est parfaite-
ment adapts h des courants sinusoidaux et prAire ne pas (changer 'd'6nergie rAactive. Ces deux phdnombnes nouveaux sur le rdseau ont engendrd un certain nombre de perturbations allant du dysfonctionnement d'un 6quipement jusqu'h la destruction d'une partie des dquipements connectds [2,3]. La progression constante en unitd et en puissance des 4quipements d'dlec- tronique de puissance connectds (31 % de l'dnergie consomm4e par les industriels) a rendu
ndcessaire des actions afin de rdduire les perturbations.
Dans cet article, nous ddcrivons les perturbations induites darts les rdseaux de distribution par les convertisseurs statiques. Diffdrents types de convertisseurs g4n4rant de mains en mains de perturbations sent #tud14s. Le filtrage passif, solution adopt4e jusqu'h pr4sent pour d4polluer
le r4seau est aussi analys4. Le filtre actif, objet principal de cette publication, est dtudid d'une part sous l'aspect puissance par l'dtude des deux structures 41ectrotecl~niques dites courant et
tension.
Le circuit de puissance est analysd et une rdflexion sur le dimensionnement est donnde. Aprbs
une comparaison des deux structures un cl~oix est fait. D'autre part, l'aspect commando du filtre est dtudid. Tout d'abord par la mdtl~ode d'acquisition des l~armoniques et puis par l'dtude de deux types de contr01e du filtre actif afin de compenser des harmoniques. La r4gulation de la tension de boucle est dgalement dtudide Le contr01e d'un filtre actif h structure tension dent
le courant ddlivr4 au r4seau ne prdsente pas de composante h la friquence de commutation est
dgalement envisagd.
Le dernier paragraphe pr4sente une maquette tripl~as#e de 100 kVA h tl~yristors GTD. Les rdsultats expdrimentaux obtenus sent prdsentds et discut4s. Des eslais
avec une acquisition des
harmoniques au travers du SystAme d'Acquisition des Harmoniques~sont mends. Une extrapola-
tion du filtrage courant au filtrage tension est faite. Les r4sultats d'essais sur un site industriel sent donn4s et discut4s.
~~~ ~~~
Fig. 2. Schdma d'un convertisseur de frdquence pour machine asynchrone.
[Scheme of a frequency changer for asynchronous machine.]
1. Perturbations et solutions classiques
Les harmoniques rencontr4s sur les r4seaux industriels ont un grand nombre d'effets, di1f4rents selon qu'ils sent en courant ou en tension mais dans tous les cas n4gatifs au fonctionnement
harmonieux du rdseau. La liste suivante des consdquences de la pr4sence des harmoniques sur le r4seau est non exhaustive 4chauffement des transformateurs, perturbation des systAmes de
commande par courants porteurs, perturbation du fonctionnement de certains convertisseurs, surcharge des moteurs alternatifs, destruction de batterie de condensateurs, antir4sonance me-
nant h des surtensions et interf4rence avec les r4seaux de t414communication.
La consommation d'4nergie r4active entraine des surcharges des 4quipements de transport et de conversion d'4nergie ainsi qu'une augmentation des chutes de tension en ligne. Depuis 1987, EDF facture la consommation d'4nergie r4active si tg(~g) est sup4rieur h 0,4
1-1- D#SENSIBILISATION DES #QUIPEMENTS AUX PERTURBATIONS PR#EXISTANTES. La
r4alisation d'4quipements capables de fonctionner sur un r4seau perturb4 permet d'ignorer
un certain nombre de cons4quences lides aux harmoniques telles que les dysfonctionnements.
Toutefois, cette solution ne permet cependant pas de r4duire les 4chaulfements et les surdi- mensionnements lids aux harmoniques
1.2. DIMINUTION DES HARMONIQUES G#N(R#S PAR LE PONT R#SEAU. Les caractdristiques
techniques du pont r4seau d'un 4quipement imposent les harmoniques cr44s sur le r4seau. La prise en compte de ces consid4rations dans la conception d'un convertisseur permet de limiter la distorsion renvoy4e au r4seau en choisissant le pont r4seau ad4quat. L'augmentation du
nombre des interrupteurs permet souvent une r4duction acceptable des harmoniques g4n4r4s.
L'utilisation des interrupteurs h commutation forcAe, thyristors GTO, transistors ou tran- sistors IGBT a perrnis la conception de montages absorbant au r4seau des courants quasi
sinusoidaux. Le pant redresseur est command4 par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI)
et permet outre de minimiser les harmoniques gdndrds, de rAgler les (changes de puissances active et r4active avec le rdseau [4, 5].
La figure 2 ddcrit le sch4ma d'un variateur de vitesse pour machine asynchrone minimisant les harmoniques renvoy4s sur le r4seau. Les interrupteurs peuvent Atre des thyristors GTO ou
des IGBT en fonction de la puissance de l'dquipement.
L'emploi d'une Modulation par Largeur d'Impulsions (MLI) permet la minimisation des bar- moniques renvoyAs au rdseau. Une MLI optimisde utilise le fait qu'un ddcoupage d'une onde p6riodique par k impulsions par quart de pdriode permet la suppression de k -1 harmoniques.
Les rdsultats expdrimentaux relevds SW des dquipements CEGELEC montrent lus bonnes per- formances de ce type d'onduleurs. La figure 3 montre des relevAs effectuds sur un convertisseur de frAquence h IGBT pour machine asyncl~rone dont la frdquence de commutation est d'environ 4 kHz.
Ces di1f4rents montages sont plus on4reux qu'un montage classique car its n4cessitent plus d'dquipements : plusieurs transformateurs pour les systbmes multipl~asds, de l'dlectronique
y
2,sins/div
,,,,,,,,,,,,,,,,,,
l'
)res 50AJdiv 2,sms/div
Fig 3. Tension et courant d'un variateur de vitesse pour moteur asynchrone h IGBT.
[Voltage and current of a variable-speed drive
complexe pour la commande des ponts h interrupteurs h commutation forcde.
Darts l'absolu, cette remarque n'est plus vraie car la "propretd" de la charge permet des dconomies en 4vitant le filtrage du r4seau. Car outre la minimisation des l~armoniques, ce type de convertisseur permet un fonctionnement h puissance r4active variable et notamment h cos(~g) =1.
1.3. FILTRAGE PASSIF. Une solution utilis#e jusqu'h prdsent [est le filtre passif. Le filtre passif foumit de l'4nergie r#active et piAge les l~armoniques. Cependant son utilisation n'est pas
simple et ses performances d4pendent des caract4ristiques du r4seiu
sur lequel il est connect4.
De plus, il peut occasionner une r4sonance parallAle importante quij excit4e par un l~armonique pr4sent sur le r4seau, conduit h des surtensions importantes pouvant aller jusqu'h la destruction
d'4quipements.
1.3.I. Compensation d'harmoniques. Un filtre passif a pour ob'jet, dans le cas des l~armo-
niques, de diminuer l'imp4dance du r4seau h une fr4quence donn4e'. Les courants l~armoniques
h cette frAquence sent alors dArivAs dans le filtre et crdent peu de distorsion sur le rdseau.
La connexion d'un condensateur sur le rdseau prAsente des inc/nv6nients tels
que l'antirA-
sonance ou r4sonance parallAle qui reprdsente une augmentation je l'impddance du r4seau h
certaines fr4quences. C'est pourquoi la compensation de r4actif esi effectu4e h l'aide de filtres accord4s. L'accord du filtre permet un d4couplage, par rapport au r4seau, plus important que dans le cas d'un condensateur directement connect4 au r4seau.
Un filtre est gdndralement constitud d'une rdsistance, d'une inductance et d'un condensateur.
L'inductance absorbe de l'4nergie r4active tandis que le condensaieur
en cr4e. Un cl~oix judi-
cieux du condensateur permet un renvoi d'dnergie r4active sur le r4seau de maniAre h compenser celle absorbde par d'autres dquipements.
Deux types de filtres passifs sent gAnAralement utilisAs, le filtre rAsonnant et le filtre amorti
(Fig. 4).
Rparallkle
c
~ ~ ~
Fig. 4. Schdma de principe d'un filtre rdsonnant ou amorti.
[Scheme of resonant and damped passive filter.]
Le rang d'accord ha correspond au multiple, entier ou non, de la frdquence nominale du r6seau pour lequel l'imp6dance du filtre L C est minimale.
~~ 1
will
La figure 5 montre l'influence de la connexion d'un filtre sur l'imp6dance du rAseau. Deux
pulsations peuvent Atre remarqudes sur ces courbes :
. rAsonance du filtre Ma
= 27rfa
=
j Z(wa) [= 0
LC
. antirAsonance du filtre war
= 27rfar
= Z(war) [- oo.
fi
Ces frAquences dApendent des valeurs des composants du filtre mais aussi du r4seau (pour l'antirAsonance). Il est h noter que le filtrage est plus efficace h la fr6quence d'accord avec un filtre rAsonnant en contrepartie d'une antirAsonance importante. Le filtre amorti oflre un filtrage plus rAparti mais moins efficace h la fr4quence d'accord. L'antir4sonance est moins importante
que darts le cm d'un filtre r4sonnant. Ce dernier est donc moms sujet aux variations de fr4quence
et d'imp4dance du r4seau.
1.3 2 Compensation de l'6nergie rAactive. La puissance rAactive rAsulte du d4pl~asage entre le fondamental de la tension et du courant rAseau. La puissance rAactive du filtre renvoyAe au
rAseau se calcule comme suit :
~~~~~
~
1 (£)~
a
La mise en place d'un filtre crAe une remontAe de la tension r4seau, non n4gligeable, darts certains cas. Cette variation de tension se calcule en utilisant la formule :
I~U ~lr4seau
U fi Scc
avec
. Qrdseau Puissance rAactive renvoy4e au r4seau (puissance r4active fournie par le filtre moins la puissance r4active absorb4e par les autres 4quipements)
. Sac puissance de court circuit du r4seau.
l~W>(
bnp£dance du r£Sean avec &m rlsonnart
Hp6dacce du rlseau sod
a) War
wa "
bp£dancedur£Seaused
Impldacce du r£Seau awe ATe wnosa
b) ww wa w
Fig. 5 Impddance du rdseau avec (a) et sans filtre (b) connectA.
[Mains impedance with (a) and without (b) passive filter.]
Une remontAe de tension de plus de cinq pour-cent est h 4viter pour le bon fonctionnement des 4quipements. Cette variation de tension ne pose guAre de problAine sur un r4seau en charge,
la puissance r4active renvoy4e par le filtre compense celle absorb4e par d'autres 4quipements.
Cependant, darts le cas d'un r4seau h vide, la puissance rdactive crdde par le filtre se retrouve entiArement sur le r4seau ce qui peut mener h une surtension importante.
Le filtre passif est performant, et de coilt peu 41ev4. Il est cependant limit4 par une non
adaptabilit4 au r4seau et aux charges pour les raisers suivantes
. L'installation d'un filtre sur le rAseau fait appar£tre une antir4sonance dent la fr4quence
est variable avec l'impAdance du rAseau.
. La fr4quence d'accord du filtre est fixe ce qui entraine une d4gradation du filtrage tars d'une variation de frdquence du r6seau.
. Lors d'une surcharge en courant harmonique, le dAclencl~ement du filtre est inAvitable.
La compensation est dans ce cas rAduite h z6ro. L'installation prAcAdemment filtr6e se
retrouve instantandment perturbde de manibre considdrable. L'arrAt plus ou mains propre
des 4quipements est dans ce cas indvitable avec tous les risques que cela suppose des- truction de production...
Rdse%u Chargepollumte
~
lithe Acfif
Fig. 6. Sch6ma de principe d'un filtre actif.
[Active filter principle.]
Filtre d'mfliUc onduleul Cucuit de
stock~iged'euer~Je C'mm~~anJe
Fig. 7. Structure gdndrale d'un filtre actif.
[General structure of an active filter.]
Ces incidents ne sont l~eureusement pas courants. Le dimensionnement et la rdalisation d'un filtre sont affaires de spdcialistes. La socidtd CEGELEC s'est distingude dans la rdalisation de tels dquipements [12].
Des recl~ercl~es ant AtA menAes avec pour objectif l'dlimination des problbmes intrinsbques
des filtres passifs. Le filtre actif a dtd ddveloppd avec le souci d'Aviter les problAmes dus h la variation de la frdquence rdseau, les antirdsonances, et les ddclencl~ements dus aux surcharges
du filtre
Le filtre actif fait l'objet de la suite de cette dtude
2. Le filtrage actif
2 1. PRINCIPE Du FILTRE ACTIF PARALLkLE. Le principe du filtre actif parallAle consiste h gAnArer des l~armoniques en opposition de phase h ceux existant sur le rdseau. Ceci peut Atre
scl~AmatisA sur la figure 6.
Alors que le courant absorbd par la charge polluante est non sinusoidal, le courant crAA par le filtre actif est tel que le courant absorbd au rdseau est sinusoidal [11,12].
2.2. STRUCTURE G#NtRALE D'UN FILTRE ACTIF. Un filtre actif est composA de quatre
parties comme le montre la figure 7. La partie puissance est constituAe d'un circuit de stockage d'dnergie, d'un onduleur destin6 h rdpartir le courant darts les diffdrentes phases et un filtre d'entrde destind h rdaliser l'interface entre le rdseau et l'onduleur. La partie contr01e tient compte du circuit de stockage d'Anergie, du filtre d'entr#e et des harmoniques sur le rAseau et permet d'actionner le circuit onduleur.
id
Fig. 8 Schdma dlectrotechnique de l'onduleur courant.
[General scheme of current source inverter.]
Tableau I Courants des dijfdrentes phases d'un onduleur courant.
[Different phase currents of current source inverter.]
Numdro Interr.
de fermAs Iondi Iond2 Iond3 I~ Ip
l'Atat (Haut / Bas)
1,2 Id -Id 0
2 1,3 Id 0 -Id
j Id
3 2,3 0 Id -Id 0
4 2,1 -Id Id 0 Id
5 3,1 -Id 0 Id -Id
2
6 3,2 0 -Id Id 10
7 1,1 0 0 0 0 0
8 2,2 0 0 0 0 0
9 3,3 0 0 0 0 0
2.2.I. Onduleur. Deux types de structures sent envisageables, celle dite courant ou celle dite tension.
2.2.1.1 Onduleur de courant. La structure 41ectrotechnique d'un onduleur courant ou com- mutateur de courant est schAmatisAe h la figure 8 it s'agit de commuter un courant Id dans les diffArentes phases [12].
Le courant continu est commutA dans les diffArentes phases, par une combinaison des dif-
fArents interrupteurs. Il est donc possible de complAter le tableau I. Ces courants tripl~asAs peuvent Atre placAs dans le repAre a, fl par transformation de Concordia. C'est par une com-
binaison de ces (tats qu'un courant de rAfArence peut Atre atteint.i
Les vecteurs courants pouvant Atre gAnArAs par un onduleur tracAs sur la figure 9.
Cependant, le rAseau 6tant inductif il n'est pas possible de directement l'onduleur. Un filtre d'entr6e doit Atre insArA entre le rAseau et l'onduleur h la figure 10.
ii est ndcessaire de faire trbs attention au contr01e du filtre car il peut cr6er des
oscillations comme le montre la figure 11. Sur celle-ci les mbnent h un rdgime
divergeant.
4 2
a
5
Fig. 9 Vecteurs courants pouvant Atre gdndrds par un onduleur courant dans le repbre o, fl.
[Current vectors in a fl coordinates generated by a current source inverter
~~ Id
L
v(t)
a
mv mv
Fig 10. Sch4ma Alectrotechnique d'un onduleur courant.
[Electrical scheme of a current source inverter.]
(enA)
If Itdf
~
,'i
>,
Temps(en s)
o o,oi o,oi o,03
Fig. 11. Oscillations du courant autour de la rAfArence.
[Current oscillation around the reference.]
~E
V1 V2 V3~
Fig. 12. SchAma de principe d'un onduleur de tension.
[General scheme of voltage source inverter.]
Tableau II. Tensions des dijfdrentes phases d'un onduleur tension.
[Different phase voltages of voltage source inverter.]
Num4ro des des des
del'dtat interr. interr. interr. 2~i12E 2V2/E 2%/E
de la de la de la
phase phase 2 phase 3
1 + 2/3 -1/3 -1/3
2 + + 1/3 1/3 -2/3
3 + 2/3 -1/3
4 + + -2/3 1/3 1/3
5 + -1/3 -1/3 2/3
6 + + 1/3
7 + + + 0 0 0
8 0 0 0
+ Correspond h l'interrupteur du l~aut passant et l'interrupteur du bas bloqud Correspond h l'interrupteur du bas passant et l'interrupteur du haut bloquA
2.2.1.2 Onduleur de tension. = L'onduleur de tension est le dual de l'onduleur de courant. Ce type d'onduleur maintient dans un condensateur de stockage, une tension quasi constante [6, 7].
II commute celle-ci de manibre h imposer des tensions h ses brines alternatives comme indiqud
h la figure12.
De mAme que pour l'onduleur de courant, par les combinaisons des interrupteurs, il est
possible de compldter le tableau II.
Ces tensions tripl~as4es peuvent Atre placdes dans le repAre a, fl par transformation de Concordia. C'est par une combinaison de ces (tats qu'une tension de rAfArence peut Atre at- teinte.
Les vecteurs tensions pouvant Atre g6ndrAs par un onduleur tension sent trac6s sur la
figure 13.
Dans le cas de l'onduleur de tension, une simple inductance servir de filtre d'entr4e.
La structure retenue pour cette Atude est la structure dent l'utilisation est trAs
courante dans les variateurs de vitesse pour machine asyncl~rone.
