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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


Mohamed Haddad
Mohamed Haddad est étudiant au doctorat au Département de génie électrique à l’Université de Tunis El Manar. Ses intérêts de recherche comprennent la qualité de l’onde, les filtres actifs et les convertisseurs multiniveaux.

Sana Ktata
Sana Ktata est maître assistant en génie électrique à l’Institut supérieur des technologies médicales de Tunis (ISTMT) – Université de Tunis El Manar.

Salem Rahmani
Joseph Salem est vice-président informatique et membre fondateur de RideMetry. Il est responsable du développement technologique et des applications mobiles et Web. Il détient un baccalauréat en génie logiciel.
Programme : Génie logiciel 

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 la conversion de l’énergie électrique, l'électronique de puissance, les harmoniques et la commande.
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 en phase avec la tension, afin d’obtenir un  facteur de puissance unitaire pour les trois phases de l’alimentation. Le courant source doit suivre le courant de référence, ainsi la différence entre ces deux courants, pour les trois phases, est envoyée au modulateur de largeur d’impulsion (MLI) afin de générer les impulsions requises. La méthode classique de modulation de largeur d’impulsion a été utilisée pour comparer l’onde de référence à l’onde porteuse et pour moduler le signal d’entrée. Les impulsions d’allumage commandent aux commutateurs de générer le courant de référence calculé, lequel est injecté dans le système afin de supprimer les harmoniques de courant de la source et de le rendre sinusoïdal et en phase avec le signal de la tension.

Même si le courant de la source devrait correspondre au courant de référence, la différence entre ces deux formes d’onde du courant est calculée. La forme d’onde déduite est une onde périodique. Elle comprend les harmoniques qui seront générées et injectées par l’onduleur au point de couplage commun.

Simulations Matlab

Les simulations ont été réalisées grâce à Matlab. Le RT-LAB dont nous nous sommes servi pour ce projet comprend un régulateur en temps réel et un module de mesure tels qu’illustrés par la figure 4.

Filtre anti-harmonique

Figure 4 Simulateur en temps réel et interface de prétraitement des signaux OPAL-RT

Le régulateur en temps réel produit, en fonction de la stratégie de régulation, des impulsions qu’il envoie aux commutateurs de l’onduleur. Le module de mesure sert à détecter la tension et le courant de la source, et la tension CC. Le régulateur peut ainsi calculer le courant de référence. Le prototype a été conçu pour une utilisation dans des conditions normales du réseau d’alimentation principal, à la tension et à la fréquence nominales. Nous avons mené plusieurs tests, sur le prototype du filtre anti‐harmonique actif, de compensation des harmoniques, de correction du facteur de puissance et d’équilibrage de la charge.

Le processus de filtrage est illustré par la figure 5 qui montre la tension de la source, le courant de la source, le courant de filtrage et le courant de la charge pour une phase du système. La tension (vs1(t), en bleu) et le courant (is1(t), en vert) de la source, sont les deux ondes du haut. Elles sont en phase, ce qui prouve la capacité du régulateur à corriger le  facteur de puissance.

Filtre anti-harmonique

Figure 5 Résultats obtenus en régime permanent

Conclusion

Les filtres anti-harmonique actifs sont largement employés dans les réseaux de distribution pour supprimer les harmoniques, compenser la puissance réactive et équilibrer les charges. Un prototype de filtre anti‐harmonique actif a été créé dans le cadre de ce projet. Il est muni d’un régulateur déployé sur la plateforme OPAL-RT. Les courants de la source, de la charge et de filtrage ont été illustrés afin de valider l’efficacité du filtrage. De plus, le régulateur a maintenu constante la tension CC de l’onduleur lors des variations de charge. Nous avons pu observer la rapidité de la réponse dynamique du filtre anti‐harmonique actif. Il est aussi en mesure de maintenir le taux de distorsion harmonique du courant source bien en deçà des limites spécifiées par la norme IEEE 519. Les résultats expérimentaux démontrent l’efficacité du filtre anti-harmonique actif à éliminer les harmoniques, compenser la puissance réactive et équilibrer les charges. Grâce à ce prototype polyvalent, il est possible d’étudier plusieurs méthodes de contrôle pour élaborer des régulateurs de filtre anti‐harmonique actif en peu de temps.

 

 

Mohamed Haddad

Profil de l'auteur(e)

Mohamed Haddad est étudiant au doctorat au Département de génie électrique à l’Université de Tunis El Manar. Ses intérêts de recherche comprennent la qualité de l’onde, les filtres actifs et les convertisseurs multiniveaux.

Profil de l'auteur(e)

Sana Ktata

Profil de l'auteur(e)

Sana Ktata est maître assistant en génie électrique à l’Institut supérieur des technologies médicales de Tunis (ISTMT) – Université de Tunis El Manar.

Profil de l'auteur(e)

Salem Rahmani

Profil de l'auteur(e)

Joseph Salem est vice-président informatique et membre fondateur de RideMetry. Il est responsable du développement technologique et des applications mobiles et Web. Il détient un baccalauréat en génie logiciel.

Programme : Génie logiciel 

Laboratoires de recherche : GREPCI – Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle 

Profil de l'auteur(e)

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 la conversion de l’énergie électrique, l'électronique de puissance, les harmoniques et la commande.

Programme : Génie électrique 

Chaire de recherche : Chaire de recherche du Canada en conversion de l’énergie électrique et en électronique de puissance 

Laboratoires de recherche : GREPCI – Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle 

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