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Un nouveau filtre anti‐harmonique actif shunt des plus prometteurs - Par : Mohamed Haddad, Sana Ktata, Salem Rahmani, Kamal Al Haddad,

Un nouveau filtre anti‐harmonique actif shunt des plus prometteurs


Kamal Al Haddad
Kamal Al Haddad Profil de l'auteur(e)
Kamal Al-Haddad est professeur au Département de génie électrique à l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur les convertisseurs de puissance, d’harmoniques et de contrôle de la puissance avec des filtres hybrides et les convertisseurs.
Programme : Génie électrique 

Note de l’éditeur

Les réseaux de distribution sont de plus en plus pollués par les harmoniques en raison du nombre croissant d’appareils introduisant des charges non linéaires (ordinateurs, tubes fluorescents, bornes de recharge pour véhicules électriques…). L’originalité du filtre anti‐harmonique proposé est qu’il est commandé de façon indirecte au moyen de RT-Lab.

Les charges non linéaires : sources d’harmoniques électriques

On considère qu’une charge est non linéaire si son impédance varie en fonction de la tension appliquée. Le courant ainsi généré n’est pas sinusoïdal même si la charge non linéaire est connectée à une tension sinusoïdale. Ce courant non sinusoïdal contient des harmoniques; il en découle une distorsion de la tension qui touche le matériel du réseau de distribution (pertes énergétiques supplémentaires) comme les charges qui y sont reliées (surtension, élévation excessive de la température, dommages matériels).

Voilà pourquoi ont été adoptées certaines normes, comme la norme IEEE 519, la norme CEI 555-2 et la série de normes CEI, qui toutes imposent une limite au taux de distorsion harmonique. L’utilisation des charges non linéaires a beaucoup augmenté depuis quelques dizaines d’années, par exemple dans les ordinateurs, les réfrigérateurs et les lampes à fluorescence.

Filtre anti‐harmonique

Figure 1 Effet d’une charge non linéaire sur le courant (en rose) et sur la tension (en vert) du réseau

La solution que nous proposons : un filtre anti‐harmonique actif shunt

Les filtres anti‐harmonique compensent les harmoniques et équilibrent le courant. La solution classique consiste à utiliser des filtres anti‐harmonique passifs, lesquels sont composés de condensateurs, de résistances et de bobines d’induction. Ces filtres ont deux grandes limites. Premièrement, chaque filtre ne fonctionne que pour un seul type d’harmonique, d’une fréquence bien définie. Deuxièmement, un phénomène de résonance peut se créer avec l’impédance du réseau, ce qui crée de nouvelles harmoniques.

Les filtres anti‐harmonique actifs se servent d’onduleurs pour compenser toutes les harmoniques et équilibrer la tension. Ils introduisent dans le réseau un signal composé des harmoniques indésirables, mais de polarité inverse. Ainsi, la somme du courant initial et du courant introduit s’annule. Pour ce faire, les filtres anti‐harmonique actifs se servent d’un régulateur adéquat pour calculer le courant de référence qui comprend la partie harmonique du courant de charge [4, 5, 6]. Ils peuvent s’installer en série ou en parallèle à la charge. Dans ce dernier cas, on les nomme « shunt ». Ils sont largement utilisés dans les réseaux d’alimentation pour éliminer les harmoniques, compenser la puissance réactive et équilibrer les charges, et ainsi réduire les pertes énergétiques des sources d’alimentation [7,8].

Dans cet article, nous avons utilisé une méthode indirecte de régulation (RT-Lab system) pour extraire le courant de charge harmonique. Le régulateur (PI) (proportionnel, intégral,) est réglé pour ajuster la tension de la barre omnibus et ce, même lors de perturbations.

Le filtre anti‐harmonique actif comporte un onduleur muni d’un dispositif de stockage CC (un condensateur) connecté parallèlement à la charge pour éliminer les harmoniques de courant  et la puissance réactive [2,7]. La figure 2 illustre un filtre anti‐harmonique actif triphasé connecté parallèlement à une charge non linéaire. L’onduleur peut convertir le courant continu en courant alternatif au moyen de différentes méthodes de commutation. Dans notre recherche, nous avons utilisé un onduleur triphasé à deux niveaux (VSI) pour générer le courant de référence. Différents onduleurs à plusieurs niveaux, pouvant être utilisés dans des applications de filtres anti‐harmoniques actifs,  sont récemment offerts sur le marché .

Filtre anti‐harmonique

Figure 2 Un filtre anti-harmonique actif shunt triphasé connecté à une source d’alimentation S.

Une méthode indirecte de régulation

Il faut extraire les courants source (is123(t)) pour être en mesure de compenser les harmoniques de courant créées par une charge non linéaire. Les composantes de base des courants source serviront à calculer les courants de référence (i∗123(t)). Il faut moduler le courant de référence dérivé pour générer les impulsions associées qui commandent aux commutateurs de l’onduleur d’injecter les courants adaptés (iF123(t)) dans le réseau. Ces derniers compenseront les harmoniques créées par la charge [1,2,3]. Le régulateur utilisé dans cette expérience est constitué de deux parties : l’extraction de courant et le régulateur PI, lequel sert à équilibrer la tension CC de l’onduleur. La figure 3 donne un aperçu général du processus de commande.

Filtre anti‐harmonique

Figure 3 Diagramme du bloc contrôleur du filtre anti-harmonique actif

Comme l’illustre la figure 3, la tension de la barre omnibus (Vdc) est mesurée et comparée à la valeur de référence (Vdcref). Le régulateur PI joue un rôle important pour fixer et équilibrer la tension CC en cas de perturbations des paramètres du système, par exemple des charges. La valeur de sortie du PI est multipliée par une onde sinusoïdale unitaire en phase avec la tension de la source. Ceci sert à rendre le courant source