Dépollution des Réseaux Electriques Basse Tension utilisant un Filtre Actif Parallèle à deux niveaux contrôlé par l'algorithme P-Q

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1 Volume 5, Number, 1 15 Déolluton des Réseaux Electrues asse Tenson utlsant un Fltre ctf Parallèle à deux neaux contrôlé ar l'lgorthme PQ. MORSLI,. TLEMÇNI, M.S. OUHERIT et N. OULD HERHLI Résumé et artcle étude le nouel algorthme de détecton des courants harmonues de référence alué à un Fltre ctf Parallèle de Pussance FPP (cte Power Flter shunt PFs en anglas) trhasé basé sur un conertsseur de tenson à deux neaux. Pour le calcul des courants harmonues de référence, on utlse l'algorthme et our la génératon des mulsons, on utlse la MLI ntersecte. Pour alder l'étude théorue, les traaux de smulaton, dans un enronnement Matlab Smulnk sont fourns. Les résultats obtenus semblent satsfasants dans la ualté de comensaton des harmonues et la correcton du facteur de ussance. Ils reflètent clarement l'cacté du FPP contrôlé ar l algorthme roosé our réondre aux recommandatons standard IEEE519 sur les neaux harmonue. Mots lés Fltre ctf Parallèle de Pussance FPP ; Taux de Dstorson des Harmonues THD ; MLI ; lgorthme. 1. INTRODUTION es dernères années, les Fltres ctfs de Pussance (FP) ont été largement étudés et luseurs méthodes de lutte ont été roosées, ar exemle [1]. La comensaton des harmonues aec PF dans le réseau d'almentaton électrue se fat en deux étaes. La remère étae découre les comosantes harmonues des courants et la seconde étae njecte ces harmonues dans le réseau électrue (en ooston de hase) []. La olluton des réseaux électrues est un hénomène u exste deus l aarton du remer réseau électrue alternatf ou snusoïdal, la forme snusoïdale étant due à la forme d onde des tensons générées ar les alternateurs. En et, dès u l exste des éléments réactfs dans un crcut, l aaraît un déhasage entre la tenson et le courant, ce u ndut une ussance réacte u s exrme ar un échauffement lé au délacement des courants crculants dans les éléments nductfs et caactfs. Les aarels ssus de l électronue de ussance, allant des onts de dode aux onts de Graetz jusu aux almentatons de secours gênèrent actuellement une olluton harmonue sur les courants absorbés ar ces aarels. ette olluton a un et drect sur le courant aarent u tend à être augmenté our fare asser la même ussance acte, la seule exlotable énergétuement. Les erturbatons ayant our cause drectement les tensons ne font as arte de notre Manuscrt receed January 1, 1. étude, nous chosssons de nous consacrer à l étude des courants erturbateurs [48].. MÉTHODE DES PUISSNES INSTNTNÉES.1. Pussances nstantanées acte et réacte ette méthode d dentfcaton des courants harmonues, lus smle, consste à élmner la comosante contnue des ussances acte et réacte nstantanées ce u est relatement facle à réalser [9]. On exlote la transformaton de oncorda our obtenr les ussances acte et réacte et nécesste de tensons snusoïdales à la fréuence fondamentale. On note resectement les ecteurs des tensons smles au ont de raccordement [ s ] et des courants de charge [ c ] d un système trhasé et éulbré ar : [56] s sa sb sc et c ca cb cc (1) La transformaton des aleurs trhasées nstantanées de la tenson et du courant dans le reère des cordonnées est donnée ar les exressons suantes : 1 1 / 1 / sa s sb s sc Et our les courants : () 1 Medamra Scence Publsher. ll rghts resered.

2 16 T ELETROTEHNI 1 1 / 1 / ca c cb c cc () Les ussances réelle et magnare nstantanées, notées resectement et, sont défnes ar la relaton matrcelle suante : s s c ss c (4) En remlaçant les tensons et les courants dhasés ar leurs homologues trhasés, on obtent : (5) s c s c sa ca sb cb sc cc De même, our la ussance magnare on a : 1 s c sc sa sb cc sb sc ca sc sa cb (6) artr de l exresson (4), En osant : On a : s s c 1 s s c s s Ou alors : (7) 1 s s s c s c c c s s s s c c ec: s s c c s s c c (8) (9) (1) Les ussances nstantanées selon les axes et euent s écrre : s s c c s c (11) s c s c s c s s s s s s (1) : Pussance nstantanée selon l'axe. : Pussance nstantanée selon l'axe. : Pussance nstantanée selon l'axe. : Pussance nstantanée selon l'axe. D arès les exressons (1), on eut écre : (1) L analyse de l éuaton (1) nous ramène aux conclusons suantes : La somme des ussances nstantanées et coïncde aec la ussance nstantanée dans un crcut trhasé. La ussance réacte corresond à la arte de la ussance nstantanée u déend de. es ussances et s annulent entre elles et elles n aortent aucune contrbuton au transfert de ussance nstantanée entre la source et la charge. Dans le cas où les tensons sont snusoïdales et almentent une charge non lnéare, les ussances nstantanées et ont our exresson : (14) ec : : Pussance contnue lée à la comosante fondamentale acte du courant. : Pussance contnue lée à la comosante fondamentale réacte du courant. et : Pussance alternates lées à la somme des comosantes harmonues du courant. En consdérant les éuatons (8) et (14), nous ouons séarer le courant dans le reère () en tros comosantes acte et réacte à la fréuence fondamentale et la somme des harmonues. ec condut à : 1 s s 1 s c s 1 s s c s s s s s s ourant ctf ourant Réactf ourants Harmonues (15) Il est édent, d arès la relaton (15), ue our dentfer une des tros comosantes, ar exemle les courants harmonues, les artes alternates des ussances réelle et magnare doent être séarées des artes contnues. ette séaraton eut être réalsée en utlsant l un des deux méthodes de fltrage llustré sur la Fg. 1. Fltre asse bas Fg. 1. Schéma de rnce du fltre utlsé our l extracton des comosantes alternates de P et Q. Les courant harmonues trhasés sont obtenues à artr des courants dhasés ar la transformaton nerse de oncorda sot : hk (k=a,b,c) h et h

3 Volume 5, Number, ha 1 h hb h hc 1 (16) S V et I a rerésentent resectement les aleurs caces de la tenson et du courant fondamental et a, le déhasage entre eux, alors on eut écrre : VI ca cos a VI ca sn a (17) Les termes et sont resectement éualents à la ussance acte conentonnelle et à la ussance réacte conentonnelle. De cette manère, élmner les courants harmonues reent à comenser les comosantes alternates et. La suresson des courants réactfs reent à comenser la comosante contnue [78]... Pussance aarente, ussance réacte et ussance de dstorson En régme déformé, on dot modfer la défnton de la ussance aarente our u'elle tenne comte du courant harmonue : S P Q D (18) Nous oyons dans cette exresson (18) un noueau terme u aaraît, l s'agt de la ussance de dstorson D. La fgure suante llustre ectorellement ces ussances [9] : Q=kVar En monohasé, s la tenson et le courant nstantanés ont our exresson : ( t) V sn( t) ( t) I sn( nt ) n1 n, n (19) e u est le cas our un réseau fort. Nous aons alors: P VI cos( ) () 1 1 Q V I sn( ) (1) 1, 1 S V I () D=kVar P=kW S=kV Fg.. Rerésentaton ectorelle de la ussance aarente. I I I I... I () 1,,, n, D V I I... I (4),, n,.. Facteur de ussance Indéendamment du régme snusoïdal ou déformé, le facteur de ussance est le raort entre la ussance acte et aarente. eendant, le facteur de ussance s'en troue modfé ar la résence de la ussance de dstorson : F F F P P ds Fdé P cos S P V I cos1 I1, cos1 (5) S V I I I1, (6) I cos (7) 1 FP Fds Fdé (8) où : F ds = Facteur de dstorson. F dé = Facteur de délacement..4. Taux de Dstorson d'harmonue (THD) Notre traal est consacré à utlser un fltre actf arallèle, ce u eut dre u on a beson de calculer le Taux de Dstorson d'harmonue en courant, comme nous le montre cette exresson : THD In, n I 1, (9). S D UN ONDULEUR DE TENSION DEUX NIVEUX Le crcut de ussance d un fltre actf arallèle, à base d un onduleur de tenson deux neaux à IGT, lacé entre un réseau trhasé et une charge nonlnéare olluante en ont de Graëtz à 6 thyrstors, est rerésenté sur la Fg. [111]. Source alternate harge NonLnéare Fltre ctf Parallèle Fg.. rcut de ussance du fltre actf arallèle à deux neaux roose.

4 Mag (% du Fondamental) mltude [] 18 T ELETROTEHNI ec: s, courant de la source d almentaton ; s, tenson au ont de raccordement commun ; F, F, L F, tenson, courant et nductance du fltre actf ; c, L F, d c, courant, nductance amont et courant aal au ont de Graëtz consttuant la charge olluante. 4. LGORITHME "PQ" D'EXTRTION DES OURNTS HRMONIQUES Le schéma de la Fg. 4 llustre les dfférentes étaes ermettant l obtenton des comosantes harmonues du courant d une charge non lnéare [1 8]. harge Non Lnéar e a b c Source n ca cb cc an bn cn abc abc αβ αβ α β α β et α et β Fltre Passe as α α La théore résentée auaraant est alable unuement our les systèmes trhasés déourus de comosante homoolare. L extracton des courants des harmonues dans des alcatons monohasées ne eut as être réalsée ar cette méthode. Elle est alcable dans le cas où les tensons V sabc sont déformées, à condton de fltrer les ondulatons résentées sur le module du ecteur s ; s s ca cb cc α β P Δdc et β β αβ abc Fg. 4. lgorthme "" d'extracton des courants harmonues.. a b c sa m agntude sgnal angle Fourer remers harmonues les lus sgnfcatfs, aec un THD ( sa ) de.17% our une durée d obseraton de.1 s. Table 1 Paramètres de smulaton communs aux alcatons consdérées Réseau d almentaton harge nonlnéare (Pont de Graëtz à 6 thyrstors) harge lnéare (aal à la charge nonlnéare) sa sa sa sa sb courant.mat sc To Fle sgnal rm s sa To Worksace1 sa sa_sa To Worksace sa & sa sb m agntude sgnal angle Fourer1 lock courant1.mat To Fle1 L1a L1b La Lb La Lb scoe1 scoe scoe sn PWM wth trangular carrer t To Worksace sc m agntude sgnal angle Fourer [] [] [] courant.mat To Fle ontnuous Fg. 5. lmentaton drecte dans une charge nonlnéare sans fltre actf. [] [] [] ca cb cc owergu ulses Goto1 [s] Goto Goto6 Goto9 Goto1 Goto11 Scoe4 Paramètres Valeurs numérues Tenson cace E s V Fréuence f 5 Hz Résstance de lgne R s.5 mω Inductance de lgne L f 19.4H Pussance aarente S 4.7 kv ngle de retard à l amorçage α Résstance de charge D R c 6.5 Ω Inductance de charge D L c mh Lf From [s] From4 T4 T1 From5 From9 sa T5 T From1 From11 T6 T 5. RÉSULTTS DE SIMULTION 5.1. aractérstues du courant de source aant fltrage actf et algorthme d dentfcaton est utlsé our extrare les courants harmonues générés ar le redresseur de la Fg. 5 : Le modèle du Fltre ctf Parallèle (FP) est déeloé en utlsant le bloc MTL/Smulnk. Les études de smulaton sont ectuées our les aramètres du système rerésenté sur le Tableau.1. Les grahes du courant de source aant alcaton du fltrage actf sont rerésentés sur les Fg. 6, 7 et 8. On constate une dstorson symétrue du courant sa ar raort au ont de dem érode (Vor Fg. 6), ce u sgnfe ue les harmonues multles de et sont nexstants dans le sectre de sa et ue seuls ceux de rang (6h ± 1) sont résents; cec est confrmé ar le sectre de sa (Vor Fg. 7) rerésentant les Tems [s] Fg. 6. llure de sa aant fltrage actf. Fondamental (5Hz) = 84.4, THD (sa) =.17% Durée =.1s Ordre d'harmonue Fg. 7. Sectre harmonue de sa.

5 mltude ha hb hc t L1a L1b La Lb La Lb scoe1 scoe scoe mltude [] mltude Mag (% du Fondamental) Volume 5, Number, sa [V] sa (] l en est de même our le THD ( sa ) aec un noueau taux de. %, comme llustré dans les Fg. 1 et 11. V dc L fa Table Paramètres de smulaton du modèle de la Fg. 9. Paramètres H (Largeur de la fenêtre d hystéréss) T s L F Valeurs numérues 84 V 1.5 mh. ms 1.5 mh Tems [s] Fg. 8. ourant sa déhasé de la tenson sa. La dstorson harmonue n est as le seul roblème rencontré c car la Fg. 7 ndue une dégradaton au neau du facteur de ussance (retard estmé à. s, donc φ =6, sot cosφ =.8) ; ans on eut s attendre à une fluctuaton dans l énerge réacte du système sa 5.. aractérstues du courant de source arès fltrage actf Nous suosons ue la tenson d'almentaton est défne ar les éuatons suantes :. a 5.sn t sn 7 t 7. b 5.sn t sn 7t () 7. c 5.snt sn7t Tems [s] Fg. 1. llure de sa arès fltrage actf deux neaux Fondamental (5Hz) = 85.69, THD (sa) =.% Durée =.1s 1 ontnuous lock To Worksace owergu sa sb sc T1 m agntude courant.mat m agntude courant1.mat m agntude courant.mat sgnal sgnal sgnal angle To Fle angle To Fle1 angle To Fle Fourer Fourer1 Fourer From9 From1 ca Lf cb cc sa ha hb hc sgnal rm s sb T4 sc [s] From1 From17 sa Lfa g To Worksace1 sa sa sa_ha_ca sa To Worksace sa_sa ha Unersal rdge sa To Worksace sa, ha &ca ca sa sa & sa ha_haref To Worksace4 ha_ha > 68 s68 68 Transfer Fcn1 s68 > 68 Transfer Fcn s68 Transfer Fcn > ha NOT 68 NOT NOT T T From7 T5 T6 From11 ulses Goto9 [s] Goto18 Goto19 Goto Goto1 Goto11 [] [] [] sn PWM wth trangular carrer [] [] [] Scoe4 symmetrc PWM can be obsered by zoomng the waeforms of ths scoe Ordre d'harmonue Fg. 11. Sectre harmonue de sa. Du côté source, les deux courbes de la Fg. 1, rerésentant le courant et la tenson de source en hase, nduent un cosφ corrgé, très roche de l unté. Par conséuent, on eut dédure ue le réactf du réseau a été comensé. 5 4 sa [V] sa [] hb hc s68 Transfer Fcn 1 Fg. 9. Modèle du fltre actf arallèle à deux neaux établ sous Matlab Smulnk. Pour la smulaton du modèle de la Fg 9 sous MatlabSmulnk, on a utlsé les aramètres du Tableau.. On a se contenter de l étude du courant et de la tenson seulement dans la hase a, sachant ue ceux des deux autres hases sont retardés ar raort à la hase a de 1 et 4 resectement. Pour amélorer la forme d onde de sa, on a nséré l nductance L F de 1.5 mh en amont de la charge olluante, comme ndué Fg. 4. Le résultat état satsfasant usue les déformatons ont été rédutes et Tems [s] Fg. 1. llures de sa et sa arès fltrage actf. Dans la Fg. 1, on montre le noueau courant sa et la tenson de source sa. Les deux ondes sont en hase, malgré la résence d un léger décalage (retard de sa ar raort à sa ) engendré ar L F. ec ndut un

6 mltude [] mltude [] 11 T ELETROTEHNI facteur de ussance roche de l unté, donc une bonne comensaton de la ussance réacte de la source. Le fat ue sa at récuéré son allure snusoïdale nous rassure ue le fltre actf a généré un courant ha u sut ben sa référence ha, comme ndué ar les deux courbes de la Fg Tems [s] Fg. 1. ourant généré ar le fltre actf ha et sa référence ha. Les déformatons dans la forme de sa se stuent dans les onts d ntersecton non nulles de ca et ha, comme on eut le or dans la Fg Fg. 14. ourants de charge nonlnéare ca, de source sa et celu du fltre actf ha. La Fg. 7 rerésente le sectre harmonue du courant de charge dont la aleur du THD est de.17%. eendant, le sectre harmonue du courant de la source rerésenté ar la Fg. 11, montre ue le THD basse à.%. 6. ONLUSION Le traal résenté dans cet artcle aorte une synthèse des fltres actfs de ussance, rncaux allatfs aux roblèmes engendrés ar la olluton harmonue dans les réseaux de dstrbuton. Une alcaton du fltrage actf de ussance a été tratée, c'est un fltre actf arallèle almenté ar une source de tenson contnue dont les ordres de commutaton ont été enoyés ar la MLI ntersecte u est à base d un onduleur de tenson deux neaux, dont les courants harmonues de référence ont été détectés ar la méthode du fltre asse bas. Les résultats obtenus dans ce traal nous ermettent de sualser l'cacté du fltre actf arallèle de ussance (PFs) en utlsant un contrôleur. En fat, la dstorson d harmonue THD asse de,17% à,% arès l'utlsaton du fltre actf. ns, ha ha sa ha ca Tems [s] le facteur de ussance a été fxé, c'estàdre la tenson et le courant sont deenus en hase. RÉFÉRENES 1. R.F. Pnhero,.. Jacobna,.M.N. Lma, and E.R.. da Sla, «Reson of the State of the rt n cte Flters». In Proceedngs of the 1999 razlan Power Electroncs onference, Foz do Iguaçu, razl.. S. Rechka, E. Ngandu, J. Xu, and P. Scard, «nalyss of harmonc detecton algorthms and ther alcaton to acte ower flters for harmoncs comensaton and resonance damng». anadan Journal of Electrc and omuter Engneerng, ol. 8, no. 1, Jan., R. Kffouche, «Identfcaton des harmonues et génératon de courants de référence lcaton au conertsseur statues». Mémore de Magster, Unersté M Hamed ougara de oumerdes, Jullet D. Ould bdeslam, D. Fleller, P. Wra & J. Mercklé, «dalne neural networks for onlne extractng the drect, nerse and homoolar oltage comonents from a comoste oltage». 1st nnual onference of the IEEE Industral Electroncs Socety (IEON5), Ralegh, North arolna, US, No. 61, M..E. lal, «ontrbuton à l étude des comensateurs actfs des réseaux électrue basse tenson». Thèse de Doctorat, ULP Strasbourg I. 1 setembre. 6. M.. enslmane, «omensaton générale des harmonues Etude, dmensonnement et commande d un fltre actf arallèle». Mémore de Magster, Unersté M Hamed ougara de oumerdes.. 7. S. Tadjer, «Etude d'un système de comensaton d'harmonue en utlsant un générateur hotooltaue GPV». Mémore de Magstère en Géne Electrue, Unersté M'hamed ougara oumerdès, lgére Morsl, N. Ould herchal,. Tlemçan and M. S. ouchert, «Reducng Harmonc Polluton n LowVoltage Electrcal Networks melted on an cte ondtoner usng a FeLeel Inerter NP Toology». Internatonal onference on utomaton and Mechatroncs IM 11 Oran lgera, No S. eauleu, «Etude et mse au ont d'un fltre actf d'harmonues en ue d'amélorer la ualté de l'almentaton électrue». Mémore résenté comme exgence artelle de la maîtrse en ngénere. Unersté du Québec à hcoutm. MI H. Djeghloud & H. enalla, «Harmoncs cancellaton usng SVPWM shunt acte ower flter». In The Internatonal Journal for omutaton n Electrcal and Electroncs Engneerng OMPEL, ol. 6, No. 1, , 7, Emerald Publshng Grou Lmted. 11. H. Djeghloud, «Fltrage ctf de Pussance». Thèse de Doctorat en Scence et en Electrotechnue. Unersté Mentour onstantne. 1 décembre H. kag, Y. Kanazawa and. Nabae, «Generalzed theory of the nstantaneous reacte ower n threehase crcuts». Proceedng 198 Internatonal ower electroncs conference. Tokyo, Jaan, PP , 198. bdelkader MORSLI Dr. bdelhalm TLEMÇNI Noureddne OULD HERHLI Laboratore de recherche en électrotechnue et automatue UYFM Médéa, lgére Prof. Mohamed Seghr OUHERIT Laboratore de commande des rocessus Ecole Natonale Polytechnue El Harrach, lger, lgére. Emal : morsl_aek6@yahoo.fr, h_tlemcan@yahoo.fr, ms_bouchert@yahoo.fr, nocherchal@yahoo.fr

7 Volume 5, Number, MORSLI bdelkader est né en 197 à Médéa. Il a reçu le dlôme d'ngéneur d état en électrotechnue, de l'unersté Docteur Yaha FRES de Médéa, lgére, en 1. Le dlôme de Magster en Electronue de l'ecole Natonale Polytechnue (ENP) d'lger, lgére, en 1, l réare un doctorat en géne électrue de même école. Ses ntérêts de recherche sont dans le domane de l'électronue de ussance, les entraînements électrues, robuste et de contrôle nonlnéare et systèmes flous. TLEMÇNI bdelhalm est né en 1974 à Médéa. Il a reçu le dlôme d'ngéneur d état et le dlôme de Magstère en électronue de ussance de l'ecole Natonale Polytechnue (ENP) d'lger, l'lgére, en 1997 et 1999, resectement. Il a reçu le dlôme de doctorat en géne électrue de l ENP en 7. Deus, l a adé dans des ostes d'ensegnement et de recherche au Déartement de Géne Electrue, UYFM de Médéa, où l est actuellement rofesseur agrégé. Il est drecteur du Groue de recherche et de contrôle électronue de ussance. Ses ntérêts de recherche sont dans le domane de l'électronue de ussance, les entraînements électrues, commande robuste et nonlnéares et systèmes flous. OUHERIT Mohamed Seghr est né en 1954 à lger. Il a reçu le dlôme d'ngéneur d état en électrotechnue, le dlôme de Magster et le Doctorat d'etat (PhD) en géne électrue, de l'ecole Natonale Polytechnue (ENP) d'lger, en lgére, en 198, 1988 et 1995 resectement. rès sa graduaton, l rejont le Déartement de géne électrue de l'ecole Natonale Polytechnue. Il est un rofesseur, membre du Laboratore de contrôle de rocessus et ses ntérêts de recherche sont dans le domane des entraînements électrues et de contrôle de rocessus. OULD HERHLI Noureddne est né en 1974 à Médéa. Il a reçu le dlôme d'ngéneur en électrotechnue, en 1998 et le dlôme de Magster en Géne Electrue en 6 de l Unersté Docteur Yaha FRES de Médéa, en lgére. Il réare un doctorat en géne électrue à l'école Natonale Polytechnue (ENP) d'lger, en lgére. Ses ntérêts de recherche sont dans le domane des entraînements électrues et de contrôle de rocessus.