L’élimination des harmoniques dans un onduleur à quatre bras

Introduction

Afin de répondre à la demande croissante d’énergie renouvelable des dernières années, différents types d’onduleurs de tension ont été présentés et étudiés pour trouver un moyen de fournir une alimentation électrique de qualité à un vaste éventail de charges. Les charges non linéaires ou non équilibrées, dont les charges monophasées et les redresseurs de courant des systèmes triphasés, génèrent des composantes homopolaires dans la forme d’onde de la tension et du courant [1].

Figure 1 Ensemble de trois vecteurs de phase non équilibrés, ainsi que les composantes symétriques nécessaires pour obtenir la courbe du bas par addition

Comparaison entre un onduleur de tension à trois bras et quatre fils et un onduleur à quatre bras

De nombreuses méthodes de conversion de l’énergie électrique, notamment la production décentralisée d’énergie [2] et l’alimentation sans coupure (UPS) [3], requièrent des systèmes triphasés à quatre fils afin de créer un chemin qui compense la composante homopolaire et qui prévienne la distorsion de l’onde de tension de sortie. De ce fait, il faudrait concevoir les onduleurs triphasés de telle sorte qu’ils soient adaptés aux systèmes à quatre fils et qu’ils conservent la symétrie de l’onde de la tension de sortie [4].

À cette fin, la littérature présente essentiellement deux solutions n’utilisant pas de transformateur. La première implique un onduleur de tension à trois bras et quatre fils où le point de charge neutre est connecté au point médian des condensateurs de liaison CC par un quatrième fil [5, 6]. La seconde solution consiste en un onduleur à quatre bras où le quatrième fil relie le point neutre des charges au point médian du quatrième bras [7, 8].

Même si la première solution constitue la manière la plus simple de branchement du point neutre, des problèmes d’ordre pratique en limitent l’emploi : les composantes homopolaires du courant de neutre augmentent le courant des condensateurs de la liaison CC, souvent électrolytiques, et ont un effet néfaste sur les ondulations de tension et sur leur longévité. Les onduleurs de tension à point neutre (NPC) à trois bras présentent plusieurs autres inconvénients dans les systèmes à trois fils : une utilisation insuffisante de la tension du lien CC, une grande ondulation de la tension du lien CC et un balancement ardu de la tension sur les condensateurs du lien CC [10].

Figure 2 Onduleur de tension à quatre bras

En faisant abstraction du nombre plus élevé d’interrupteurs de puissance, les onduleurs de tension à quatre bras conviennent mieux aux réseaux à quatre fils et aux applications industrielles lorsque la charge est déséquilibrée ou non-linéaire. De plus ils ne présentent aucun des problèmes des onduleurs à point neutre standard énumérés plus haut. Par contre, le fait d’ajouter un quatrième bras à l’onduleur en complique la stratégie de commande. Ainsi, des techniques de modulation plus élaborées sont nécessaires pour ce type d’onduleurs.

Réduction de la fréquence de commutation

Les stratégies de régulation des onduleurs requièrent normalement une fréquence de modulation élevée afin de suivre avec exactitude l’onde de référence. Cela entraîne une augmentation des pertes de commutation et par conséquent, une diminution importante de l’efficacité, facteur clé dans le domaine de l’énergie renouvelable. La modulation en largeur d’impulsion appliquée à l’élimination sélective des harmoniques (SHE-PWM)  est la meilleure stratégie de régulation de la tension pour réduire la fréquence de commutation à des valeurs aussi basses que 1 kHz, tout en conservant une bonne qualité de l’onde. Jusqu’à présent, cette technique a été étudiée pour des  onduleurs monophasés ou triphasés, à deux ou plusieurs niveaux [11-14]. Or, elle a été davantage développée pour les onduleurs multiniveaux, comme les convertisseurs à bus continu avec point milieu et les onduleurs à ponts en H cascadés (CHB), afin de réduire la fréquence de commutation dans les applications de haute puissance. Ces systèmes sont donc très efficace et comportent une bonne dynamique [15].

La figure 3 illustre le montage utilisé pour l’étude dans lequel l’onduleur à quatre bras sert de convertisseur autonome afin de transmettre le courant continu d’une source d’énergie renouvelable à des charges CA.

Figure 3 Montage utilisé pour l’étude

Stratégie de commande pour l’élimination sélective des harmoniques

L’élimination sélective des harmoniques se fonde sur une analyse fréquentielle de la tension de sortie jointe au spectre précalculé d’une onde carrée de longueur variable. Pour cette technique, les angles de commutation sont choisis soigneusement afin que le spectre de l’onde injectée à la sortie annule celui des harmoniques désirées. En ce qui a trait au quatrième bras, il a été ajouté afin de fournir une voie d’acheminement du courant de neutre dans les systèmes déséquilibrés. Pour l’élimination sélective des harmoniques, ce dernier est commandé de manière à neutraliser l’effet des harmoniques homopolaires du courant de neutre tout en conservant l’équilibre des tensions des condensateur du lien CC.

La figure 4 illustre la méthode d’obtention des angles de commutation.

Figure 4 Méthode d’obtention des angles de commutation

Évaluation de la technique d’élimination sélective des harmoniques

Un prototype de convertisseur à bus continu avec point milieu, triphasé et à quatre bras a été construit afin d’évaluer la technique d’élimination sélective des harmoniques et confirmer l’obtention des angles de commutation des bras A et D (αi, βj). Le montage expérimental a été testé avec différents types de charges : linéaires, non linéaires, équilibrées et non équilibrées. Les paramètres utilisés sont énumérés au tableau 1.

La figure 5 montre les tensions des bras A et D ainsi que le spectre des harmoniques lorsque le convertisseur avec point milieu et quatre bras est testé sur une charge RL triphasée et équilibrée. Les spectres d’harmoniques de VAg et de VDg sont calculés et sont aussi illustrés. Il est clairement démontré que la fréquence fondamentale du quatrième bras est trois fois plus importante que celle du bras de phase. De plus, le spectre harmonique montre que l’ensemble des harmoniques autre que d’ordre 3, allant de 5 à 23, sont complètement éliminés de VAg, et que l’amplitude des 3^e, 9^e, 15^e et 21^e harmoniques est égale, respectivement, à l’amplitude des ordres 1, 3, 5 et 7 d’harmoniques du bras D. Cela prouve l’exactitude des angles de commutation obtenus pour les bras A et D.

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Figure 5 Tensions des bras A et D ainsi que le spectre des harmoniques lorsque le convertisseur avec point milieu à quatre bras est testé avec une charge RL triphasée dans des conditions équilibrées

La figure 6 montre les résultats expérimentaux lorsque le convertisseur avec point milieu et quatre bras est testé sous une charge linéaire équilibrée. On peut constater que la tension des condensateurs est restée équilibrée après changement de l’alimentation CC. En outre, ce changement n’a pas d’incidence sur les angles de commutation puisque l’amplitude de la source a été fixée à 1 pu dans les équations de limitation sélective des harmoniques. Il en découle que les valeurs des angles de commutation ne dépendent pas du niveau de la tension de la source CC.

Figure 6 La tension du condensateur s’équilibre lorsque la tension d’entrée est modifiée

Conclusion

La technique d’élimination sélective des harmoniques appliquée aux convertisseurs avec point milieu et quatre bras permet de réduire la fréquence de commutation, tout en générant une tension AC multiniveaux dont le contenu harmonique est grandement réduit. Étant donné la diminution des harmoniques, la taille du filtre de sortie peut elle aussi être réduite. Cet onduleur est donc très intéressant pour les systèmes de conversion d’énergie renouvelable, car il en augmente l’efficacité, tout en conservant une dynamique stable sous l’effet d’une charge non-linéaire ou déséquilibrée.

Renseignements supplémentaires

Pour de plus amples renseignements, consultez l’article de recherche suivant : Sharifzadeh, M.; Sheikholeslami, A.; Vahedi, H.; Ghoreishy, H.; Labbé, P.-A.; Al-Haddad, K., 2015, Optimised Harmonic Elimination Modulation extended to Four-Leg Neutral-Point-Clamped Inverter, IET Power Electronics, vol. 9, nº 3, p. 441-448.

Auteurs

Mohammad Sharifzadeh est ingénieur électricien. Il est titulaire d’une maîtrise en génie électrique et en électronique de puissance de l’université de technologie Noshirvani de Babol, en Iran. Ses intérêts de recherche portent, notamment, sur l’électronique de puissance, les topologies des onduleurs multiniveaux et les techniques de commutation de ces derniers, en particulier l’élimination ou l’atténuation des harmoniques et les méthodes d’optimisation des systèmes électriques.

Abdolreza Sheikholeslami est professeur agrégé au département de génie électrique et informatique de l’université Noshirvani de Babol, en Iran. Il a obtenu un baccalauréat spécialisé de l’université Mazandaran de Babolsar, en Iran. Ses diplômes de maîtrise (1978) et de doctorat (1989) lui ont été décernés par l’université de Strathclyde de Glasgow, en Grande-Bretagne. Ses intérêts de recherche portent actuellement sur l’électronique de puissance, la qualité énergétique, les harmoniques, les réseaux intelligents et l’énergie renouvelable.

Hani Vahedi prépare actuellement un doctorat à l’École de technologie supérieure (ÉTS). Il est membre du Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle (GRÉPCI). Il a obtenu un baccalauréat en génie électrique de l’université de technologie K. N. Toosi (KNTU) en 2008 et, en 2011, une maîtrise dans la même discipline de l’université de technologie de Babol. Ses intérêts de recherche portent, notamment, sur l’électronique de puissance, la topologie des onduleurs multiniveaux, les techniques de régulation et de modulation, la qualité de l’onde et les filtres anti-harmoniques.

Hoda Ghoreishy est professeure au département de génie électrique de l’université de technologie Noshivarni de Babol, en Iran.

Philippe-Alexandre Labbé travaille actuellement sur sa maîtrise en génie électrique à l’École de Technologies Supérieures de Montréal (ÉTS), au sein du Groupe de Recherche en Électronique de Puissance et Commande Industrielle (GREPCI). Ses efforts de recherche ciblent principalement le domaine des convertisseurs multiniveaux et multicellulaires intégrant la nouvelle technologie de semi-conducteur au Nitrure de Gallium (GaN).

Professor Kamal Al-Haddad est professeur au Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure (ÉTS) depuis 1990. Ses domaines de recherche sont les convertisseurs statiques élevés efficaces de puissance, d’harmoniques et de contrôle de la puissance réactive utilisant des filtres hybrides, les convertisseurs  mode et résonance et le développement de prototypes pour diverses applications industrielles en traction électrique ainsi que l’alimentation passant pour les variateurs de vitesse et les systèmes de télécommunication. Le professeur Al-Haddad est Fellow de l’IEEE et de l’Académie canadienne du génie. Il est membre à vie du Cercle d’excellence de l’Université du Québec. Actuellement, il est le président de la société IEEE Industrial Electronics.

[accordion title= »Références » close= »1″]1 Kim, J.-H., Sul, S.-K., Enjeti, P.N.: ‘A carrier-based PWM method with optimal switching sequence for a multilevel four-leg voltage-source inverter’, IEEE Trans. Ind. Appl., 2008, 44, pp. 1239–1248.

2 Liu, Z., Liu, J., Zhao, Y.: ‘A unified control strategy for three-phase inverter in distributed generation’, IEEE Trans. Power Electron., 2014, 29, pp. 1176–1191.

3 Liu, Z., Liu, J., Li, J.: ‘Modeling, analysis, and mitigation of load neutral point voltage for three-phase four-leg inverter’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2013, 60, pp. 2010–2021.

4 Sinsukthavorn, W., Ortjohann, E., Mohd, A., et al.: ‘Control strategy for three-/four-wire-inverter-based distributed generation’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2012, 59, pp. 3890–3899.

5 Dai, N.-Y.,Wong, M.-C., Han, Y.-D.: ‘Application of a three-level NPC inverter as a three-phase four-wire power quality compensator by generalized 3DSVM’, IEEE Trans. Power Electron., 2006, 21, pp. 440–449.

6 Ufnalski, B., Kaszewski, A., Grzesiak, L.: ‘Particle swarm optimization of the multi-oscillatory LQR for a 3-phase 4-wire voltage source inverter with an LC output filter’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2015, 62, pp. 484–493.

7 Rivera, M., Yaramasu, V., Llor, A., et al.: ‘Digital predictive current control of a three-phase four-leg inverter’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2013, 60, pp. 4903–4912.

8 Zhang, L., Waite, M.J., Chong, B.: ‘Three-phase four-leg flying-capacitor multi-level inverter-based active power filter for unbalanced current operation’, IET Power Electron., 2013, 6, pp. 153–163.

9 Dybko, M.A., Turnaev, S.S., Brovanov, S.: ‘A power losses calculation in a four-legged three-level voltage source inverter’. Int. Conf. and Seminar on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices, 2009. EDM 2009. 2009, pp. 365–369.

10 Yaramasu, V., Wu, B., Rivera, M., et al.: ‘Predictive current control and DC-link capacitor voltages balancing for four-leg NPC inverters’. 2013 IEEE Int. Symp. On Industrial Electronics (ISIE), 2013, pp. 1–6.

11 Agelidis, V.G., Balouktsis, A.I., Cossar, C.: ‘On attaining the multiple solutions of selective harmonic elimination PWM three-level waveforms through function minimization’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2008, 55, pp. 996–1004.

12 Moeini, A., Iman-Eini, H., Marzoughi, A.: ‘DC link voltage balancing approach for cascaded H-bridge active rectifier based on selective harmonic elimination-pulse width modulation’, IET Power Electron., 2015, 8, pp. 583–590.

13 Pulikanti, S.R., Konstantinou, G., Agelidis, V.G.: ‘Hybrid seven-level cascaded active neutral-point-clamped-based multilevel converter under SHE-PWM’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2013, 60, pp. 4794–4804.

14 Buccella, C., Cecati, C., Cimoroni, M., et al.: ‘Analytical method for pattern generation in five levels cascaded H-bridge inverter using selective harmonics elimination’, IEEE Trans. Ind. Electron., 2014, 61, pp. 5811–5819.

15 Sharifzade, M., Vahedi, H., Sheikholeslami, A., et al.: ‘Selective harmonic elimination modulation technique applied on four-leg NPC’. ISIE 2014–23rd IEEE Int. Symp. on Industrial Electronics, Turkey, 2014, pp. 2163–2168.[/accordion]

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