MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE
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1
UNIVERSITE FERHAT ABBAS – SETIF-1 UFAS (ALGERIE)
Faculté de Technologie
Présenté au département d’Electrotechnique Pour l’obtention du diplôme de
Magister En Electrotechnique Option : Commande Electrique
Par
Boubakeur ROUABAH
Thème
Commande d’un Convertisseur Multicellulaire Pour une Application de Filtrage Actif
Soutenu le : 24/06/2012 devant la commission d’examen composée de :
Pr : Mohamed MOSTEFAI Président Université de Sétif (UFAS) Pr : Lazhar RAHMANI Rapporteur Université de Sétif (UFAS) Dr : Kamel Eddine HEMSAS Examinateur Université de Sétif (UFAS) Dr : Mohamed Najib HARMAS Examinateur Université de Sétif (UFAS)
Sétif 2011-2012
Remerciements
Au nom d’Allah, le Tout - Miséricordieux, le Très - Miséricordieux
La louange est à Allah l’unique et la paix et le salut sur celui qui n’a point de messager après lui et sur sa famille, ses compagnons et tous ceux qui suivent son chemin jusqu’au jour de la résurrection.
Je tiens, tout particulièrement, à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur Lazhar RAHMANI Professeur à l’Université de SETIF, pour ces conseils précieux ainsi que pour la confiance et l’aide qu’il ma accordé pour mener ce travail à terme.
J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur Mohamed MOSTFAI, Professeur à l’Université de Setif, pour l’honneur qu’il nous a fait en acceptant d’être président du jury.
Je tiens à remercier également :
− Monsieur Mohamed Najib HARMAS, Maitre de Conférences à l’Université de Setif.
− Monsieur Kamel Eddine HEMSAS, Maitre de Conférences à l’Université de Setif
Pour avoir accepté d’examiner ce travail.
Mes remerciements vont aussi à l’ensemble de mes professeurs tout le long de ces années d’études.
Je voudrais aussi remercier tous les membres de ma famille, mes frères et mes chères sœurs.
Introduction générale ... 1
I.Filtrage Actif Parallèle ... 4
I.1.Introduction ... 4
I.2.Qualité de l’énergie électrique ... 4
I.3.Généralité sur les harmoniques ... 5
I.4.Origine des harmoniques ... 5
I.4.1.1.Sources harmoniques identifiables ... 5
I.4.1.2.Sources harmoniques non identifiables ... 6
I.4.2.Caractéristiques des harmoniques ... 6
I.4.3.Mesure des harmoniques ... 7
I.4.4.Préventions et normes en vigueur ... 7
I.5.Effets des harmoniques ... 9
I.6.Elimination des harmoniques ... 9
I.6.1.Solutions traditionnelles ... 10
I.6.2.Solutions modernes ... 10
I.6.2.1.Filtres actifs ... 11
I.6.2.1.1.Filtre actif parallèle(FAP) ... 11
I.6.2.1.2.Filtre actif séries(FAS) ... 11
I.6.2.1.3.Combinaison parallèle-série actif ... 12
I.6.2.2.Alimentations sans interruption(UPS) ... 12
I.6.2.3. FACTS ... 13
I.7.Conclusions ... 13
Bibliographie I ... 14
II.Convertisseurs multicellulaires séries ... 15
II.1.Introduction ... 15
II.3.Onduleur multicellulaire à quatre niveaux ... 18
II.4.Modélisation des convertisseurs multicellulaires série... 19
II.4.1.Modèle instantané ... 19
II.5.Filtre actif à base de l’onduleur multicellulaire ... 20
II.5.1.Modèle instantané de la structure ... 21
II.6.Dimensionnement des paramètres ... 23
II.6.1.Système de stockage de l’énergie ... 24
II.6.2. Dimensionnement de la tension de référence du bus continu... 24
II.6.3.Dimensionnement de la valeur de capacité du bus continu ... 25
II.7.Régulation de la tension du bus continu ... 25
II.7.1.Théorie de la puissance instantanée réactive ... 25
II.7.2.Calcule de ... 27
II.8.Conclusion ... 28
Bibliographie ... 28
III.Commande par mode glissant d’un filtre actif multicellulaire ... 31
III.1.Introduction ... 31
III.2.Définition de la commande par mode glissant ... 31
III.3.Choix de la surface de glissement ... 32
III.4.Condition d’existence de convergence ... 32
III.5.Détermination de la loi de commande ... 32
III.6.Application de la commande par mode glissant sur l'onduleur multicellulaire triphasé à trois cellules utilisé dans un système de filtrage de puissance actif ... 35
III.7.Résultats de Simulation ... 37
III.7.1.Régime permanant ... 37
III.7.2.Régime Dynamique ... 39
III.7.2.1.Variation de la charge ... 39
III.7.2.3.Variation de la tension du réseau ... 41
III.8.Conclusion ... 43
Bibliographie III ... 43
IV.Commande non linéaire d’un filtre actif triphasé à base d’un onduleur multicellulaire ... 46
IV.1.Introduction ... 46
IV.2.Présentation de la méthode de linéarisation exacte ... 46
IV.2.1.Modélisation des systèmes non linéaire ... 46
IV.2.2.Théorème ... 47
IV.2.3.Application de la commande par linéarisation exacte au filtre actif triphasé à base d’un onduleur multicellulaire à trois cellules………48
IV.2.4.Boucle de régulation proportionnelle ... 49
IV.2.5.Dynamiques du système ... 50
IV.2.6.Résultats de simulation ... 50
IV.2.6.1.Régime permanant. ... 50
IV.2.6.2.Régime dynamique. ... 52
IV.2.6.2.1.Variation de la charge. ... 52
IV.2.6.2.2.Variation de la tension de référence du bus continu ... 53
IV.2.6.2.3.Variation de la tension du réseau ... 54
IV.3.Présentation de la méthode directe de Lyapunov ... 55
IV.3.1.Stabilité locale est globale pour un système autonome par le théorème de Lyapunov .56 IV.3.2.Application à un onduleur multicellulaire triphasé à trois cellules pour une application de filtrage actif ………57
IV.3.3.Résultats de simulation ... 57
IV.3.3.1.Test de robustesse ... 59
IV.3.3.1.1.Variation de la charge. ... 59
IV.3.3.1.2.Variation de la tension de référence du bus continu ... 61
IV.3.3.1.3.Variation de la tension de réseau ... 62
Bibliographie IV ... 63
V.Filtre Actif Parallèle à base d’un Onduleur Multicellulaire en Présence de Déséquilibre ... ... 65
V.1.Introduction ... 65
V.2.Présentation de la méthode de séparation des séquences. ... 65
V.3.Déséquilibre de la tension du réseau. ... 66
V.3.1.Commande par mode glissant ... 67
V.3.2.Commande par linéarisation ... 68
V.3.3.Commande directe de Lyapunov ... 69
V.4.Déséquilibre de la charge ... 70
V.4.1.Commande par mode glissant ... 70
V.4.2.Commande par linéarisation ... 72
V.4.3.Commande directe de Lyapunov. ... 73
V.5.Comparaison entre les commandes ... 75
V.6.Conclusion ... 76
Bibliographie V ... 76
conclusion général ... 77
Face à l’évolution de la société, les enjeux énergétiques viennent au premier plan. La maîtrise de la consommation énergétique, de la production et de la distribution est indispensable pour assurer l’équilibre du dispositif général de distribution de l’énergie électrique.
L’énergie électrique est une énergie de premier plan car elle est facilement transportable et peut être produite de manière propre (hydraulique, éolien, solaire) et le transport entre les consommateurs et les producteurs [1-2].
La qualité de l’énergie est un concept assez large qui recouvre à la fois la qualité de la fourniture électrique, celle de l’onde de tension et la qualité des courants. L’amélioration de la qualité de l’énergie sur les réseaux de distribution électrique, devient de nos jours, un enjeu important tant pour les gestionnaires des réseaux que pour les exploitants de l’énergie électrique. En exploitation normale, la qualité de l’électricité se réduit principalement à la qualité de l’onde de tension délivrée [2-4]. Les principaux phénomènes pouvant l’affectée sont : les creux de tension de courtes ou longues durées, le flicker, la surtension, le déséquilibre ou les harmoniques. En revanche, la qualité des courants reflète la possibilité des charges à fonctionner sans perturber ni réduire l’efficacité du système de puissance [5]. Les principaux paramètres caractérisant une tension triphasée sont la fréquence, l’amplitude, la forme d’onde qui doit être sinusoïdale et la symétrie du système caractérisée par l’égalité des modules des trois tensions et de leurs déphasages relatifs. Tout phénomène physique affectant un ou plusieurs de ces paramètres est considéré comme perturbation [6- 7].
Avec l’augmentation des producteurs isolés (parcs éoliens, injection d’énergie par les particuliers...) et des consommateurs, le réseau est de plus en plus soumis à des fluctuations d’énergie. Pour faire face à des risques d’instabilité, il est important de mettre en œuvre des dispositifs permettant de garantir la bonne qualité de l’énergie [3].
Les dispositifs de l’électronique de puissance sont de plus en plus présents sur les réseaux électrique (filtre, FACTS, onduleur...) et peuvent permettre d’aider à la gestion du réseau électrique [7].
Partant de ce constat, l’objet de ce travail est d’utiliser une structure évoluée de l’électronique de puissance (un convertisseur multicellulaire) pour réaliser une fonction de filtrage du réseau électrique. Ce convertisseur permet de par sa structure d’augmenter le niveau de tension et propose des avantages comme la répartition de tension sur les interrupteurs du convertisseur [8-11]. Nous utiliserons ce convertisseur pour une application
L’objectif de ce mémoire est d’appliqué des commandes avancées sur le convertisseur multicellulaire afin de construire une fonction de filtrage actif de grande efficacité, la plus grande qui soit ainsi qu’un fonctionnement en régime de charge déséquilibré (charges monophasées sur le réseau triphasé) et tension de réseau déséquilibrée.
De façon à atteindre ces objectifs, ce mémoire est divisé en cinq chapitres :
Le premier chapitre débute avec la problématique des harmoniques. Ensuite, un rappel sur les différentes solutions à base d’électronique de puissance pour compenser les harmoniques.
Nous détaillerons en particulier les différentes structures de filtres actifs et les normes internationales des harmoniques.
Le deuxième chapitre, Nous allons étudier le principe de fonctionnement du convertisseur multicellulaire et leur modèle mathématique avec le modèle aux valeurs instantanées. La régulation de la tension du bus continu par la théorie de la puissance réactive instantanée avec dimensionnement des paramètres du filtre actif.
Le troisième chapitre, nous allons utiliser la commande par mode glissant dans la boucle de courant. L'objectif de la commande en régime permanant est de faire osciller le courant du filtre actif de puissance autour de sa valeur de référence avec une fréquence de commutation acceptable et régler la tension du bus continu autour de sa valeur de référence, en régime transitoire est de garantir la robustesse vis à vis la variation de la charge, la variation de la tension de référence du bus continu, et la variation de l’amplitude de la tension de réseau.
Le quatrième chapitre est consacré à l'application des commandes non linéaires (linéarisation exact et la commande direct de Lyapunov) sur le filtre actif à base de l'onduleur multicellulaire.
Le cinquième et dernier chapitre concerne l'étude des performances des techniques de commande du convertisseur multicellulaire utilisé dans le système de filtrage actif parallèle de puissance lors de l'apparition d'un déséquilibre de la tension du réseau et de la charge.
Chapitre I
Filtrage Actif Parallèle
Table des matières
I.Filtrage Actif Parallèle ... 4
I.1.Introduction ... 4
I.2.Qualité de l’énergie électrique ... 4
I.3.Généralité sur les harmoniques ... 5
I.4.Origine des harmoniques ... 5
I.4.1.1.Sources harmoniques identifiables ... 5
I.4.1.2.Sources harmoniques non identifiables ... 6
I.4.2.Caractéristiques des harmoniques ... 6
I.4.3.Mesure des harmoniques ... 7
I.4.4.Préventions et normes en vigueur ... 7
I.5.Effets des harmoniques ... 9
I.6.Elimination des harmoniques ... 9
I.6.1.Solutions traditionnelles ... 10
I.6.2.Solutions modernes ... 10
I.6.2.1.Filtres actifs ... 11
I.6.2.1.1.Filtre actif parallèle(FAP) ... 11
I.6.2.1.2.Filtre actif série(FAS) ... 11
I.6.2.1.3.Combinaison parallèle-série actif ... 12
I.6.2.2.Alimentations sans interruption(UPS) ... 12
I.6.2.3.FACTS ... 13
I.7.Conclusions ... 13
Bibliographie I ... 13
I. Filtrage Actif Parallèle I.1. Introduction
Les convertisseurs statiques apportent une plus grande souplesse et des économies d’énergie [1]. Ils sont principalement destinés à la conversion et au traitement de l’énergie électrique entre une source (réseau électrique, générateurs synchrone ou asynchrone, batterie, renouvelable, …) et une charge (charge passive, machines alternatives, réseau, …). Le traitement consiste en une modification des caractéristiques électriques liées à la forme d’onde de la source d’énergie électrique, dans l’objectif de l’adapter aux spécifications de la charge. En tenant compte des niveaux de puissance traitée, cette modification doit être réalisée avec le meilleur rendement possible.
Un convertisseur statique est constitué d’un ensemble d’éléments passifs réactifs qui ne consomment pas de puissance active (inductances, condensateurs), utilisés comme moyens de filtrage ou de stockage intermédiaire d’énergie, et de composants semi-conducteurs utilisés comme interrupteurs de puissance pour gérer le transfert d’énergie. Le fonctionnement en régime de commutation de ces interrupteurs est la raison pour laquelle les convertisseurs statiques se comportent vis-à-vis de la source d’alimentation comme des charges non linéaires. Ainsi, les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusoïdaux. [2]. Ces courants circulent à travers des impédances des réseaux et donnent naissance à des tensions non sinusoïdales. Et Ils peuvent générer aussi une consommation de puissance réactive. Ces perturbations périodiques régulières sont désignées comme des perturbations harmoniques [1].
Nous présentons dans ce chapitre la définition des harmoniques et leurs sources puis les normes internationales utilisées et en fin les solutions traditionnelles et modernes pour compenser les harmoniques dans le réseau.
I.2. Qualité de l’énergie électrique
La qualité de l’énergie est une notion assez large qui recouvre à la fois la qualité de la fourniture électrique, la qualité de l’onde de tension et la qualité des courants [2]. Lorsque la tension est présente, les principaux phénomènes pouvant l’affectée sont d’une part les variations lentes : creux de tension, surtensions, coupures, déséquilibres et d’autre part des variations rapides : surtensions transitoires, flicker ainsi que les harmoniques.
La qualité des courants reflète par contre la possibilité des charges à fonctionner sans perturber ni réduire l’efficacité du système de puissance [2].
La qualité de l’alimentation électrique ou qualité de l’onde fait référence à la mesure du degré de conformité d’une source d’alimentation électrique par rapport à un certain nombre de critères ou de normes à caractère quantitatif et absolu. L’énergie électrique est délivrée sous forme d’un
système triphasé de tensions sinusoïdales. Les paramètres caractéristiques de ce système sont les suivants :
• La fréquence.
• l’amplitude.
• La forme d’onde qui doit être sinusoïdale.
• La symétrie du système triphasé, caractérisée par l’égalité des modules des trois tensions et de leurs déphasages relatifs.
Tout phénomène physique affectant une ou plusieurs de ces caractéristiques peut être considéré comme perturbation. En pratique, ces perturbations sont classées selon la durée du phénomène [2]. Ainsi, il est possible de distinguer :
- les altérations de l’onde de tension (harmoniques, déséquilibre, flicker). Ces phénomènes sont permanents ou durent au minimum plusieurs minutes,
- les creux de tension et coupures brèves d’une durée de l’ordre d’une à quelques secondes, - les surtensions transitoires, de durée inférieure à une période.
Dans ce qui suit nous nous restreindrons à la présentation des perturbations provoquées par les harmoniques ainsi que leurs conséquences néfastes sur le réseau électrique.
I.3. Généralité sur les harmoniques
Les charges non linéaires provoquent une distorsion des courants et donc des tensions sinusoïdales, ce qui peut entraîner un mauvais fonctionnement des dispositifs raccordés au réseau. Ces distorsions sont appelées les harmoniques d’où, l’intérêt d’éliminer ou de minimiser ces harmoniques.
I.4. Origine des harmoniques
Les harmoniques sont des perturbations permanentes affectant la forme d’onde de la tension du réseau. Ces perturbations résultent de la superposition, sur l’onde fondamentale, d’ondes également sinusoïdales mais de fréquences multiples de celle du fondamental. En général, les harmoniques pairs sont négligeables et seuls les harmoniques impairs existent. [1] Nous pouvons également observer de sous-harmoniques ou des inter-harmoniques à des fréquences non multiples de la fréquence fondamentale [1]. La figure.I.1 illustre un exemple de forme d’onde d’une tension distordue contenant, en plus du terme fondamental de fréquence 50Hz, trois harmoniques de rang impair 5, 7 et 11.
I.4.1.1. Sources harmoniques identifiables :
Les équipements dotés de dispositifs à base d’électronique de puissance, notamment les redresseurs et les cycloconvertisseurs de puissances importantes, installés sur les réseaux de haute et moyenne tension sont typiquement des sources harmoniques identifiables. Avec ce type
de charge non linéaire, le distributeur d’énergie est capable d’identifier le point d’injection des harmoniques et de quantifier la perturbation provoquée. Dans ce cas, c’est l’utilisateur qui doit se procurer les moyens nécessaires afin de réduire cette perturbation au-dessous du seuil exigé par le distributeur de l’énergie [2].
I.4.1.2. Sources harmoniques non identifiables :
Ce type de générateur de courants harmoniques est principalement représenté par les appareils utilisés dans les domaines électrodomestiques ou tertiaires tels que les téléviseurs et les micro- ordinateurs. Vue leur très large diffusion, ces équipements comportent souvent un redresseur monophasé à diodes avec un condensateur de lissage, prélèvent des courants harmoniques non négligeables. Dans ce cas, il est de la responsabilité du distributeur de l’énergie électrique d’empêcher la propagation de la perturbation harmonique sur le réseau puisque individuellement chaque utilisateur génère un faible taux d’harmonique [2].
Figure.I.1 Synthèse d’une tension distordue à partir des harmoniques.
I.4.2. Caractéristiques des harmoniques
Tout signal périodique non sinusoïdal peut être représenté par une somme ou série de sinusoïdes de fréquences discrètes
∗ cos ∗ I.1
La composante zéro I0 de la série dite de Fourier est la composante continue, la première composante dite de rang 1 (h=1) est appelée composante fondamentale.
Pour les systèmes raccordés à un réseau électrique stabilisé, la fréquence de la composante fondamentale est considérée comme étant fixe (50Hz en Europe, 60Hz aux Etats Unis).
Le reste des composantes de la série de Fourier sont appelées harmoniques de rang n, où n désigne le numéro de la composante [3]
I.4.3. Mesure des harmoniques
La mesure des harmoniques est très importante car elle permet de caractériser les installations et de s’assurer de la bonne qualité de l’énergie distribuée. Plusieurs critères existent pour mesurer les perturbations harmoniques mais c’est le Taux de Distorsion Harmonique qui est le plus couramment utilisé. On utilisera le terme T.H.D. (Total Harmonic Distortion) pour désigner le taux de distorsion harmonique.
Tableau.I.1 les critères utilisés pour mesurer les perturbations harmoniques.
Le taux de
distorsion harmonique
∑ Il ne doit pas être confondu avec le taux de distorsion. Dans la littérature, le THD classique semble être le plus utilisé aujourd’hui.
Le facteur de
puissance 3 ∗ !!∗ "
Il informe sur la déformation du courant.
I.4.4. Préventions et normes en vigueur
Afin de limiter l’influence d’une charge polluante sur les autres charges connectées au réseau et en même temps éviter la modification des caractéristiques de ce dernier, les distributeurs d’énergie électrique ont été amenés à émettre des recommandations.
La C.E.I. (Commission Electrotechnique Internationale) et l’I.E.E.E (Institute of Electrical and Electronics Engineers) sont les deux principaux organismes de normalisation internationaux dans le domaine de l’électrotechnique. La CEI est un organisme officiel composé de comités nationaux de 63 pays, tandis que l’IEEE est une association professionnelle [3]. Ces deux organismes réalisent la principale activité de normalisation dans le domaine des perturbations électriques au niveau mondial.
Les caractéristiques principales de la tension fournie par un réseau de distribution (MT ou BT), définies par la norme Européenne EN 50160, précisent les tolérances qui doivent être garanties pour la tension et la fréquence ainsi que les niveaux des perturbations habituellement rencontrées. Le Tableau.I.2 suivant précise les valeurs adoptées [2]
Tableau.I.2 Limites de perturbations définies par EN 50160 Perturbation Normes
Amplitude de la tension
• Pour chaque période d’une semaine 95% des valeurs efficaces moyennes sur 10 minutes doivent être dans la plage Vn ± 10%
Variations rapides de la tension
De 5% à10% de Vn ( 4 à 6% en moyenne tension) Creux de tension • Profondeur : entre 10% à 99% de Vn
• Durée : entre 10 ms et 1 minute
• Nombre : quelques dizaines à 1 millier par an Coupures brèves • Durée : jusqu’à 3 minutes
• Nombre : quelques dizaines à plusieurs centaines par an Coupures
longues
• Durée : supérieure à 3 minutes
• Nombre : entre 10 et 50 par an
Fréquence • 50 Hz ± 1% pendant 95% d’une semaine
• 50Hz + 4%, 6% pendant 100% d’une semaine
Tableau.I.3 classification des normes concernant la qualité de l’énergie électrique
Thèmes Normes
Classification de la qualité d’énergie CEI 61000-2-5 :1995 CEI 61000-2-1 :1990 IEEE 1159 :1995 Creux /Surtension/Interruption CEI 61009-2-1 :1990
IEEE 1159 :1995
Harmoniques CEI 61000-2-1 :1990
CEI 61000-2-2 CEI 61000-3-2 CEI 61000-4-7 :1991 IEEE 519 :1992
Flicker de tension CEI 61000-4-15 :1997
Transitoires CEI 61000-2-1 :1990
CEI 816 :1984 IEEE 1159 :1995
Afin de concilier les distributeurs et les consommateurs, des normes ont été dictées. Le Tableau.I.3 résume les principales normes concernant la qualité d’énergie et la tension dans les systèmes électriques.
Le Tableau.I.4, repris de la norme CEI 61000-2-2, présente les caractéristiques et le niveau de compatibilité pour les harmoniques au point de raccordement du client pour un réseau satisfaisant la norme CEI 1000-2-4.
Tableau.I.4 Niveau de compatibilité pour les tensions harmoniques sur les réseaux basse tension (Norme CEI 61000-2-2)
Rangs impairs non multiples de 3
Rangs impairs multiples de 3
Rangs pairs
Rang Tension
harmonique(%)
Ran g
Tension harmonique(%)
Rang Tension
harmonique(%) 5
7 11 13 17 19 23 25
>25
6 5 3.5 3 2 1.5 1.5 1.5
0.2+1.3*25/h
3 9 15 21
>21
5 1.5 0.3 0.2 0.2
2 4 6 8 10 12
>12
2 1 0.5 0.5 0.5 0.2 0.2
I.5. Effets des harmoniques
De nombreux effets des harmoniques sur les installations et les équipements électriques peuvent être cités tels que les déformations des formes d’ondes entrainant des dysfonctionnements, l’augmentation des valeurs crêtes créant des claquages de diélectriques ou des valeurs efficaces induisant des échauffements et donc des pertes supplémentaires aussi bien en courant qu’en tension, ainsi qu’un étalement spectral provoquant des vibrations et des fatigues mécaniques.
L’ensemble de ces effets ont un impact économique non négligeable à cause des surcoûts, de la dégradation du rendement énergétique, du surdimensionnement, et des pertes de productivité.
I.6. Elimination des harmoniques
Deux types de solutions sont envisageables. La première consiste à utiliser des éléments passifs, tandis que la seconde consiste en la mise en œuvre d’un filtrage des composantes
harmoniques à base des semi-conducteurs. La première classe de solutions s’intéresse à la conception tandis que la seconde consiste à compenser les courants ou les tensions harmoniques.
Deux groupes de solutions de dépollution pour compenser toutes les perturbations peuvent être distinguées : les solutions traditionnelles et les solutions modernes.
I.6.1. Solutions traditionnelles
Les solutions les plus simples et les premières utilisées sont des solutions passives où des modifications structurelles pour traiter directement les harmoniques qui sont bien connues, telles que :
– Le déclassement de l’installation électrique: l’utilisateur ne souhaite pas résoudre les problèmes de pollution mais seulement se soucie de la bonne santé de ses équipements.
Cette approche, économiquement très contraignante, ne s’applique que pour des installations nouvelles [3].
– L’augmentation de la puissance de court-circuit [5]: La puissance harmonique augmente lorsque la puissance de court-circuit diminue si l’on ne prend pas en compte les phénomènes de résonance. On a donc intérêt à connecter les sources polluantes à un point du réseau où l’impédance réseau est la plus faible possible en séparant magnétiquement les différentes charges.
– Les transformateurs à couplage passif: certains couplages du type triangle zigzag permettent de supprimer les harmoniques de rang 3 et leurs multiples au prix de l’augmentation de l’impédance de ligne, et donc d’une augmentation de la distorsion de la tension.
– Les filtres passifs: une solution intéressante pour supprimer un rang d’harmonique est d’accorder un filtre du type LC sur cette fréquence, mais cela implique quelques problèmes. La conception de tels filtres s’avère assez délicate et nécessite une très bonne connaissance du réseau au point de connexion de la source [3].
I.6.2. Solutions modernes
Les problèmes précités ont pénalisé l’emploi des filtres passifs comme palliatif au problème d’harmoniques, et ont d’un autre côté motivé le développement des filtres actifs de puissance comme solution plus prometteuse face à ce problème. A partir des années 70, Ces derniers ont été étudiés pour compenser l’énergie réactive, la séquence négative des courants et des harmoniques dans les systèmes industriels de puissance.
Le principe de base des filtres actifs parallèles a été originalement présenté par H. Sasaki et T.
Machida en 1971[6]
I.6.2.1. Filtres actifs
Les filtres actifs sont composés d'onduleurs qui sont des convertisseurs statiques de puissance alimenté par une source de courant ou de tension continue, l'onduleur peut délivrer un courant ou une tension dont le contenu harmonique dépend uniquement de la loi de commande des interrupteurs.
Les filtres actifs agissent donc comme des sources de tension ou de courant harmoniques en opposition de phase avec ceux du réseau afin de rétablir un courant de source quasi sinusoïdal.
Le filtre actif peut être connecté au réseau en série ou en parallèle, suivant qu'il est conçu pour compenser les tensions ou les courants harmoniques [7].
I.6.2.1.1. Filtre actif parallèle(FAP)
Ce type de filtre actif est connecté en parallèle sur le réseau, comme le montre la Figure. I.2.
plus souvent il est commandé comme un générateur de courant. Il injecte dans le réseau des courants perturbateurs égaux à ceux absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Le courant côté réseau est alors sinusoïdal. Ainsi l’objectif du filtre actif parallèle (FAP) consiste à empêcher les courants perturbateurs (harmoniques, réactifs et déséquilibrés), produits par des charges polluantes, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du filtre actif.
Figure.I.2 Filtre actif parallèle I.6.2.1.2. Filtre actif séries(FAS)
Le filtre actif série se comporte dans ce cas, comme le montre la figure. I.3, comme une source de tension qui s’oppose aux tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique) venant de la source et également à celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau. Ainsi la tension aux bornes de la charge à protéger est purement sinusoïdale.
Figure.I.3 Filtre actif série I.6.2.1.3. Combinaison parallèle-série actif
La combinaison parallèle-série actifs, aussi appelée Unified Power Quality Conditioner (UPQC), résulte de l’association des deux filtres actifs parallèle et série, comme le montre sur La figure. I.4. Profitant des avantages des deux filtres actifs, l’UPQC assure un courant et une tension sinusoïdaux du réseau électrique à partir d’un courant et d’une tension perturbés de celui- ci.
Figure.I.4 Filtre actif série-parallèle I.6.2.2. Alimentations sans interruption (UPS)
Les alimentations sans interruption ont été développées au début des années 60 pour protéger les grands centres informatiques. Depuis, elles se sont généralisées et sont devenues des dispositifs à usage quasi systématiques. Une alimentation sans interruption ou de secours est destinée à faire face aux perturbations affectant la tension du réseau (creux, variations de
fréquence, coupures). Son principe est de produire un système de tensions alternatives assurant la continuité de l’alimentation des charges critiques, dont la performance est en outre garantie par une batterie intégrée [2]
Une alimentation sans interruption est constituée principalement par deux convertisseurs :
• un onduleur de tension destiné à produire un système de tensions alternatives de forme sinusoïdale pour suppléer le réseau si nécessaire.
• un redresseur à diodes connecté au réseau alternatif pour alimenter le bus continu de l’onduleur et pour charger une batterie d’accumulateurs
I.6.2.3. FACTS
Les systèmes de transmission en courant alternatif flexibles, terme traduit de l’anglais
"Flexible Alternating Current Transmission Systèmes (FACTS)", peuvent contribuer à faire face aux problèmes rencontrés dans l’exploitation des réseaux électriques. Le concept FACTS, introduit en 1986 par l’Electric Power Research Institute (EPRI), regroupe l’ensemble des dispositifs basés sur l’électronique de puissance qui permettent d’améliorer l’exploitation d’un réseau électrique [2]
I.7. Conclusions
Dans ce chapitre nous avons exposé le problème des harmoniques et des perturbations affectant la tension du réseau et dégradant ainsi la qualité de l’énergie électrique après avoir les effets des harmoniques sur les différents installations et équipements connecté au réseau, Ensuite, nous avons présenté les différents moyens, traditionnels et modernes, de réduction des harmoniques. Dans ce contexte, nous avons pu mettre en évidence la contribution de l’électronique de puissance dans la lutte contre les harmoniques et l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique.
On a vu que grâce au progrès important dans le domaine de l’électronique de puissance (particulièrement celui des composants semi-conducteurs) et des outils de commande, l’amélioration des signaux des tensions sont envisageables efficacement aux différents niveaux du réseau. Partant les filtres actifs et les dispositifs FACTS permettent de compenser les creux et les fluctuations de tension en plus de la compensation de la puissance réactive.
Bibliographie I
[1] CHAOUI ABDELMADJID " Filtrage actif triphasé pour charges non linéaires " thèse de doctorat 2010 université de sétif.
[2] BOUAFIA ABDELOUAHAB " Techniques de commande prédictive et floue pour les systèmes d’électronique de puissance: application aux redresseurs a MLI " Thèse de doctorat 2010 Université de Sétif.
[3] FRANÇOIS DEFAŸ " Commande prédictive directe d’un convertisseur multicellulaire triphasé pour Une application de filtrage actif " Thèse de doctorat 2008 université de Toulouse.
[4] ION ETXEBERRIA-OTADUI " Sur les systèmes de l’électronique de puissance dédies a la distribution électrique application à la qualité de l’énergie " Thèse de doctorat 2003 Institut national polytechnique de Grenoble.
[5] MOHAMAD ALAA EDDIN ALALI " Contribution à l’étude des compensateurs actifs des réseaux electriques basse tension " Thèse de doctorat 2002 Université de Louis Pasteur.
[6] DJEGHLOUD Hind " Filtrage actif de puissance " Thèse de doctorat 2007 Université de Constantine.
[7] STEEVE BEAULIEU " Etude mise au point d'un filtre actif d'harmoniques en vue d'améliorer la qualité de l'alimentation électrique " Thèse de doctorat 2007 Université de Quebec.
[8] GUILLAUME GATEAU " Contribution à la commande des convertisseurs statiques multicellulaires série " Thèse de doctorat 1997 Institut national polytechnique de Toulouse.
[9] MARTIN AIME " Évaluation et optimisation de la bande passante des convertisseurs statiques application aux nouvelles structures multicellulaires " Thèse de doctorat 2003 Institut national polytechnique de Toulouse.
[10] ALAIN DONZEL " Analyse géométrique et commande active sous observateur d'un onduleur triphasé à structure multicellulaire série " Thèse de doctorat 2000 Institut national de Gronoble.
[11] REDHA BENSAID " Observateur des tensions aux bornes des capacités flottantes pour les convertisseurs multicellulaires séries " Thèse de doctorat 2001 Institut national polytechnique de Toulouse.
Chapitre II
Filtrage Actif à Base des Onduleurs Multicellulaires
Table des matières
II.Convertisseurs multicellulaires séries ... 15
II.1.Introduction ... 15
II.2.Topologie et principe de fonctionnement ... 17
II.3.Onduleur multicellulaire à quatre niveaux ... 18
II.4.Modélisation des convertisseurs multicellulaires série. ... 19
II.4.1.Modèle instantané ... 20
II.5.Filtre actif à base de l’onduleur multicellulaire ... 20
II.5.1.Modèle instantané de la structure ... 21
II.6.Estimation des paramètres ... 24
II.6.1.Système de stockage de l’énergie ... 24
II.6.2.Estimation de la tension de référence du bus continu ... 24
II.6.3.Dimensionnement de la valeur de capacité du bus continu ... 25
II.7.Régulation de la tension du bus continu ... 25
II.7.1.Théorie de la puissance instantanée réactive ... 25
II.7.2.Calcule de ∆ ... 27
II.8.Conclusion ... 28
Bibliographie ... 28
II. Convertisseurs multicellulaires séries II.1. Introduction
L’augmentation de la puissance traitée passe évidemment par l’augmentation de la tension ou le courant ou bien les deux à la fois. Cela nécessite alors l’utilisation de nouvelles topologies des convertisseurs de l'électronique de puissance avec des composants semi-conducteurs de plus en plus performants [1].
Parallèlement, l’évolution des calibres en tension ou en courant des semi-conducteurs de puissance ne fait pas de contrepartie. En effet, si d’un côté, on augmente les calibres des composants permettant ainsi de commuter des courants plus élevés sous des tensions plus importantes, on dégrade d’un autre coté les performance en termes de fréquence de commutation
ou chute de tension à l’état passant [2]. Cette observation est particulièrement vraie pour la montée en tension qui pose alors beaucoup plus de problèmes que la montée en courant [3].
La conception et l’utilisation des convertisseurs statiques de puissance pour des gammes de puissance de plus en plus importantes sont donc des tâches délicates qui ont amené les concepteurs à étudier de nouvelles structures de conversion basées sur des associations de structures élémentaires.
Ces associations de structures élémentaires peuvent alors être envisagées de différentes manières. La première solution consiste en l’association de plusieurs convertisseurs statiques qui permettra de traiter la puissance souhaitée. La deuxième solution consiste elle à associer directement des composants semi-conducteur, afin d’obtenir un macro-composants possédant des caractéristiques satisfaisantes en tension et / ou en courant. Enfin la troisième solution consiste à associer non pas des composants mais des cellules de commutation élémentaires. Les cellules ainsi associées partagent alors les contraintes imposées par l’application d’une grande tension continue [1].
L’augmentation du niveau de courant sur les composants actifs (interrupteurs) ne perturbe pas trop leurs caractéristiques (pertes, fréquence de commutation). Il s’agit simplement d’utiliser des surfaces de Silicium plus importantes pour avoir un plus gros débit. Par contre, la montée en tension nécessite une transformation complète des composants, ce qui engendre des difficultés de mise en place et de nouvelles limitations technologiques [3]. On distingue trois manières de répondre à ces nouvelles exigences:
– Une association de plusieurs convertisseurs statiques comme les solutions en cascade ou entrelacée.
– Une association directe des composants semi-conducteurs, qui implique des précautions importantes de commande et un manque de sûreté de fonctionnement.
– Une association de cellules de commutation élémentaires.
Les associations de cellules de commutation élémentaires sont des solutions techniques meilleures qui deviennent aujourd’hui très compétitives. Elles permettent d’améliorer les formes d’ondes en utilisant les différents niveaux de tension. En ce qui concerne le filtrage actif, ces associations permettent aussi une amélioration de la bande passante des filtres actifs en utilisant au mieux les degrés de liberté. On distingue alors plusieurs types d’association de cellules :
– Les convertisseurs “clampés par le neutre” qui ont comme désavantage de nécessiter plus de composants semi-conducteurs (4 interrupteurs et deux diodes pour trois niveaux) [3].
– Les convertisseurs multicellulaires laissent espérer de bonnes performances dynamiques en jouant sur les degrés de liberté mais nécessitent des lois de commande plus complexes [2]. Cette
dernière structure a été développée au sein du laboratoire LAPLACE de Toulouse [2].
Nous présentons dans ce chapitre la structure des convertisseurs multicellulaires et leur principe de fonctionnement, et dans la deuxième partie nous les utilisons comme filtre actif du réseau électrique.
II.2. Topologie et principe de fonctionnement
Afin d’étudier les propriétés des convertisseurs multicellulaires séries en régime établi, nous poserons les hypothèses suivantes dans le but de simplifier notre étude :
• Les interrupteurs seront supposés parfaits (chute de tension à l’état passant, courant de fuite et temps de commutation nuls).
• Les temps morts seront pris égaux à zéro.
• Les sources de tension et courant seront supposées parfaites.
Le schéma général d’un bras de convertisseur multicellulaire est illustré par la figure II.1. Il se compose de paires de semi-conducteurs séparés par des condensateurs flottants. Les deux interrupteurs de chaque paire doivent toujours être dans un état opposé, afin d’éviter un court- circuit des sources de tension. Ceci est obtenu grâce au contrôle des deux IGBTs avec des signaux complémentaire.
Chaque paire constitue une cellule de commutation. Le principe de cette topologie est de fractionner la tension du bus continu en plusieurs sources de tension élémentaires.
Le fonctionnement de chaque cellule de commutation est similaire à celui d’un onduleur à deux niveaux avec une source de tension égale à E/p (p: le nombre de cellules, E: la tension d’alimentation) et une source de courant. Chaque interrupteur bloqué doit maintenir à ses bornes une tension maximum égale à :
II.1
Propriété 1 pour un convertisseur à p cellules de commutation, on disposera de p-1 sources de tensions flottantes.
Propriété 2 dans un convertisseur multicellulaire série, chaque cellule peut être considérée comme indépendante.
Propriété 3 soit i, l’indice représentant le numéro de la source de tension flottante avec i [1, p-1], chaque source de tension flottante devra avoir une valeur égale à vci=iE/p. Ainsi on imposera une contrainte en tension de E/p sur tous les interrupteurs.
Propriété 4 pour un convertisseur multicellulaire série à p cellules de commutation, on aura 2p topologies différents et p+1 niveaux de tension en sortie.
Figure II.2I.1 Structure général d'un bras du convertisseur multicellulaire.
Avec : S1, S2,…,Sp sont les états des interrupteur II.3. Onduleur multicellulaire à trois cellules
La figure II.2 présente l’onduleur dans sa configuration en 4 niveaux
Figure II.2 Onduleur multicellulaire en demi-pont à trois cellules.
Les paramètres de simulation sont
E=200V L=0.002H
C=0.0001F R=20Ω
Les résultats de simulation sont donnés dans les figures suivantes
Figure II.3 Tensions des condensateurs
Figure II.4 Tension de sortie
La figure II.4 montre la forme d'onde de la tension aux bornes de la charge où apparaissent les quatre niveaux de tension. La figure II.3 illustre les tensions aux bornes des condensateurs flottants.
L’onduleur multicellulaire est commandé en boucle ouverte. Les ordres de commande des composants de puissance sont donnés par une stratégie de modulation de largeur d’impulsion.
La commande MLI nécessite autant de porteuses triangulaires qu’il n’y a de cellules à commander. De plus, les porteuses sont toutes régulièrement déphasées entre elles. Dans le cas d’un onduleur p cellules, la porteuse n°2 aura un déphasage retard de T/p par rapport à la porteuse n°1, la porteuse n°3 un déphasage de 2T/p, jusqu’à la porteuse n°p qui aura un déphasage de (p-1).T/p par rapport à la porteuse n°1 avec T est la période de la porteuse. Ce déphasage régulier des porteuses les unes par rapport aux autres est utile pour que la tension multiniveaux de sortie d’atteindre ses niveaux intermédiaires. En effet, si toutes les porteuses étaient en phase, toutes les cellules commuteraient en même temps et seraient dans le même état de conduction. [3]
II.4. Modélisation des convertisseurs multicellulaires série.
Les différents modèles de représentation habituels sont les suivants :
• Modèle direct ou instantané : ce modèle tient compte de toutes les commutations sur une période. Il contient toute l’information. Il sert en général pour valider des commandes [1].
• Modèle aux valeurs moyennes : chaque grandeur est remplacée par sa valeur moyenne sur la période. Ce modèle est continu et permet de faire la synthèse des lois de commande [3].
• Modèle harmonique : ce modèle modélise l’évolution du système en tenant compte d’une seule harmonique à la fois. On suppose que le régime transitoire est négligeable. [4]
II.4.1. Modèle instantané
Le modèle instantané est un modèle exact du convertisseur, puisqu’il prend en compte exactement l’état (passant ou bloqué) de l’interrupteur à chaque instant. Tous les phénomènes harmoniques seront représentés dans ce modèle [5]. Son avantage est d’être une représentation discontinue avec la commande binaire des commutateurs. [4]
Pour ce qui suit, nous utilisons seulement le modèle instantané pour la modélisation du convertisseur multicellulaire.
Pour simplifier l’étude, nous considérons la modélisation d’un hacheur multicellulaire à trois cellules figure II.5.
Figure II.5 Hacheur à trois cellules.
Les équations qui régissent le fonctionnement du circuit de puissance sont :
1 ! ! " #
II.2
II.5. Filtre actif à base de l’onduleur multicellulaire
Le filtre actif à base de l’onduleur multicellulaire a pour intérêt:
– L’augmentation du niveau de tension : L’ajout de plusieurs cellules de commutation en série permet de réduire la tension aux bornes des IGBTs et donc d’augmenter la puissance de filtrage
et la valeur de tension du réseau d’interconnexion.
–L’augmentation de la bande passante: En profitant des degrés de liberté spécifiques au multicellulaire, nous pouvons améliorer la bande passante du convertisseur par rapport à d’autres structures multi-niveaux tel que l’onduleur NPC ou l’onduleur en cascade.
La figure II.6 présente le filtre actif à base d'un onduleur multicellulaire que l’on considère dans notre étude. Le réseau électrique sur lequel le filtre est destiné à être raccordé est triphasé avec neutre relié à la terre. Pour la modélisation du filtre, on considère le réseau parfait, c’est à dire équilibré et hautement impudent ce qui permet de ne pas prendre en compte des effets de résonance qui pourraient avoir lieu.
Figure II.6 Filtre actif à base d'un onduleur multicellulaire.
II.5.1. Modèle instantané de la structure
Pour la modélisation de l’onduleur, on considère un fonctionnement idéalisé :
– Interrupteurs parfaits : La commutation des interrupteurs est instantanée (temps de fermeture et ouverture nul) et sans pertes. Enfin, la chute de tension dans les interrupteurs est considérée nulle en conduction.
– Sources parfaites : La tension aux bornes du bus continu est constante et ne varie pas avec la puissance échangée.
– Temps morts négligés : Le but de notre étude étant de réduire la fréquence de découpage, les temps mort seront donc peu influents.
L’objectif de la modélisation est de trouver une relation entre les grandeurs de commande et les grandeurs électriques de la partie alternative et continue de l’onduleur. Ainsi, comme les grandeurs de commande agissent sur les interrupteurs commandables, on peut définir la fonction de commutation suivante pour définir l’état des interrupteurs (k = A, B, C et i=1,2,…p):
– Sik = 1 quand l’interrupteur du haut est fermé et celui du bas ouvert.
– Sik = 0 quand l’interrupteur du haut est ouvert et celui du bas fermé.
Ainsi, on peut calculer les tensions en sortie de l’onduleur en fonction de ces fonctions de commutation.
Pour simplifier l’étude, nous modélisons une phase.
La tension aux bornes d’un condensateur qui est parcouru par un courant électrique est donnée par [6] :
$ % 1
& '*+ % (% ! $)
*,
II.3 Sachant que les condensateurs flottants sont parcourus par le courant de sortie du filtre actif selon l’équation II.4, la tension aux bornes des condensateurs flottants va évoluer selon l’état des interrupteurs des cellules de commutation et le courant de sortie du filtre actif. Cette évolution est gouvernée par l’équation II.6.
Pourtant la mise en œuvre de cette structure doit prévoir des moyens pour assurer que chaque condensateur flottant puisse avoir la tension nécessaire au bon fonctionnement de la structure aussi bien en état statique qu’en dynamique.
Le courantest donc fonction des signaux de commande des interrupteurs.
-. /-0 . /-.#1-. II.4
Connaissant la valeur du condensateur Cik nous obtenons l’équation régissant l’évolution de la tension vCik.
&-. (
(% $-. -. /-0 . /-.#1. II.5
Alors
(
(% $-. 1
&-. /-0 . /-.#1. II.6
Le courant de sortie du filtre actif est en fonction de la tension de sortie du bras du convertisseur multicellulaire vs, RfA, LfA et la tension de réseau vres:
La tension de sortie du bras du convertisseur multicellulaire
5 6 /-. $-. $ -7 .#
8 -9
II.7 Le courant de sortie du filtre actif à base du convertisseur multicellulaire
1.( 1.
(% 5 "1. 1. 2: <=5 II.8
( 1.
(% 1
1.6 /-. $-. $ -7 .#
8 -9
"1. 1. 2:1. <=51. II.9
1. <=5 II.10
Le modèle aux valeurs instantanées représentant un bras du convertisseur multicellulaire p cellules d’une phase fonctionnant en onduleur demi-pont associé à un réseau triphasé qui alimente une charge non linéaire est donné par le système d’équations suivant :
(%( 1
& / / #1 (
(% 1
& / / #1
⋮
(%( 87 1
&87 ?/8 /87 @1 (
(% 1 / / #
1
/ / #
1 ⋯ ?/8 /87 @
1 87 "1
1 1
!/8
1 : :
2 1. <=51.
1 <=5
II.11
La représentation d’état matricielle d’un onduleur multicellulaire à trois cellules en filtre actif est donné par :
