Application d un Onduleur de Tension à Niveaux Multiple pour la Compensation d Energie Réactive

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1 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &,8 Application un Onuleur e Tenion à Niveaux Multiple pour la Compenation Energie Réactive M. FLITTI M.K. FELLAH Y. SAHALI Intelligent Control & Electrical Power Sytem Laboratory Djillali Liabe Univerity, Sii Bel-Abbe, Algeria fliom_icep@yahoo.fr Abtract : In thi article, we repreent a kin of tatic compenator avance, uing multilevel inverter. In the firt part, we are eveloping the operating moel trim avance by giving hi repreentation by an electrical iagram euivalent then it repreentation vector, in the cae of it operation in generating or aborbing reactive power. The comman of our ytem i eential. For thi, the party comman conit of two loop internal an external. The inner loop are ue to regulate the flow of the network to minimize their harmonic content an hare with the network ome reactive power, while the inner loop i eigne to regulate the output voltage trim. The imulation of the propoe ytem i evelope on-matlab Simulink. I. Introuction La conommation 'énergie électriue et en haue progreive et cette tenance e pouruivra an l'avenir. De plu, on vit an l'ère e l'électroniue et e l'informatiue, et toute le charge électroniue ont trè enible aux fluctuation e leur alimentation. Une perte 'alimentation e urée 'un cycle et uffiante pour engenrer e perte énorme. Elle peut même cauer l'interruption e ifférent proceu e prouction. Si cette urée et plu longue, certain conommateur eront obligé 'introuire leur propre ource 'énergie. Le exemple ont nombreux. Il uffit e pener aux hôpitaux. Nou omme evenu épenant e l'énergie électriue. Le conommateur eviennent e plu en plu exigeant et en même temp il ont plu vulnérable. Il veulent plu 'énergie électriue, et e meilleure ualité. Pour aurer la ualité, e tanar ont impoé et bien éfini. Le plu important ont relié à la tenion et à la fréuence. La tenion oit être entre e limite ui ont habituellement e plu ou moin 5 % e a valeur nominale penant une certaine périoe e temp. Pour la fréuence, la tolérance et e plu ou moin. Hz e a valeur nominale [8]. L évolution au niveau e interrupteur à bae e emi-conucteur a permi un meilleur contrôle e l'écoulement e la puiance et u ytème électriue en entier. Depui une vingtaine 'année, e nombreux emi-conucteur ont été éveloppé, et grâce à eux l'électroniue e puiance a pri u pouvoir. Le ytème baé ur ce emi-conucteur peuvent contrôler l'impéance en érie, l'impéance hunt, la tenion, le courant et l'angle e éphaage. De plu, il peuvent réponre rapiement à tou le phénomène tranitoire. Tout cela permet une meilleure exploitation e la capacité e ligne e tranport éjà intallée. II. ASC-Compenateur Statiue Avancé Un convertieur à bae e emi-conucteur et capable e fournir ou 'aborber e l énergie réactive. Parmi ce convertieur, le STATCOM, et un convertieur e tenion élivrant une tenion triphaée en créneaux comme illutre la figure. En réalité, une telle tenion contient trop harmoniue. Afin atténuer cette pollution harmoniue, il erait juicieux utilier e onuleur multiniveaux. Ceci permet une amélioration e la ualité e la tenion élivrée, entrainant une iminution e la taille e filtre aocié, aini u'un accroiement e la puiance tranitée. Fig. ( : Diagramme bloc un ASC 48

2 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &,8 5 vao vbo vco Fig. ( : tenion par bra prouite par le Statcom. L'échange e puiance réactive entre l'onuleur et le ytème CA et contrôlé par l'amplitue e la tenion prouite à la ortie e l'onuleur. Il y a troi poibilité (figure : Si l'amplitue e la tenion prouite par l onuleur (ta et plu élevée ue celle u ytème CA (y, le courant réactif era injecté an le ytème et l onuleur e comportera comme une ource e puiance réactive, ta : tenion prouite par le Statcom. θ : éphaage entre le courant et la tenion u Statcom. X : réactance éuivalente u ytème En réalité, il faut fournir également une certaine uantité minimale e puiance active. Cette puiance active et inipenable pour couvrir le perte e interrupteur et e conenateur u côté CC e l'onuleur. Il faut aui charger ou écharger le conenateur penant le phénomène tranitoire afin e fournir une répone rapie. Si la tenion e l'onuleur et écalée en arrière par rapport à la tenion u ytème CA, e la puiance active era aborbée par l'onuleur couvrant aini e perte (figure 4- a. Si la tenion 'onuleur et en avant par rapport à la tenion u ytème AC le conenateur commenceront à e écharger et la tenion iminuera (figure 4-b. Si elle et égale à l'amplitue e la tenion u ytème CA (y, il n'y aura pa 'échange e puiance réactive, Finalement, i elle et inférieure à celle u ytème CA (y, le courant réactif era aborbé par l onuleur. Fig. (4 : Diagramme vectorielle u fonctionnement un ASC réel (a moe capacitif, (b moe inuctif III. Moéliation u Sytème Fig. ( : Diagramme vectorielle u fonctionnement un ASC iéal. (a capacitif, (b neutre, (c inuctif. Si le Statcom et en état iéal et ne prouit aucune puiance active, la puiance réactive ue peut échanger ce ernier avec le ytème et onnée par la formule uivante : D une manière générale, la partie commane u compenateur et contitué e eux boucle interne et une boucle externe. L objectif e boucle interne et e réguler le courant u réeau afin e minimier leur contenu harmoniue et échanger avec le réeau une certaine puiance réactive, tani ue la boucle externe à pour objectif e réguler la tenion e ortie u compenateur. La figure (5, préente un chéma bloc e principe e la régulation 'un compenateur []. Q R = X y y X ta y y ta θ = ( X co( θ y : tenion u réeau an le point u raccorement 49

3 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &,8 III. Tenion Triphaée En utiliant la tranformation e Concoria (car elle conerve la puiance intantanée, la première étape conite à paer 'un ytème triphaé à un ytème iphaé. Le cooronnée an le repère e Clarke ont notée par α, β uivant le axe "α" et "β". Dan la euxième étape, on pae par une rotation e (-θ = - ωt u ytème iphaé an le repère e Clarke au ytème iphaé an le repère tournant e Park, an leuel le cooronnée e la compoante éuilibrée irecte ont la propriété 'être contante : co( θ in( θ = (4 in( θ co( θ Fig. (5 : chéma e régulation e l onuleur an le repère. III. Compenateur [] Chaue bra onuleur et contitué e eux interrupteur biirectionnel. Le ifférent interrupteur ont uppoé parfait, c et à ire, ue le phénomène u à la commutation ont négligé. Nou pouvon remplacer le bra e l onuleur par un interrupteur à eux poition moélié par une fonction logiue e connexion. Cette fonction écrit l état e chaue interrupteur. Sa valeur vaut "" i l interrupteur et fermé et "" i l interrupteur et ouvert. Soit F i ( i {,, } et {, }, la fonction e connexion un interrupteur K i aocié au bra e cet onuleur. La relation entre "i" et "" exprime par : S S S = F = F = F ( Aprè calcul, nou obtenon la forme générale e l onuleur ou forme matricielle : S = c S ( S III. Boucle interne La moéliation e la boucle interne et repréentée par une maille générée par une tenion alternative ( ao en érie avec une impéance Z. La ortie e cette maille et onnée par la tenion ue fournit le compenateur. Elle et notée ao. Sou forme e "LAPLACE" : ( p = RI ( p + LpI ( p + ( p (5 Apre calcul la fonction e tranfert en boucle ouverte : FTBO in ( p = (6 R ( + τ p L Avec : τ = R III.4 Boucle externe La boucle externe ert à maintenir la tenion " c " u conenateur à une tenion e référence " cref ". FTBO ext = (7 C p III.5 Puiance Active La puiance active an un réeau triphaé obtient par : P = i + + (8 i i Dan le repère "", la puiance active peut evenir : P = ( i + i (9 ao 5

4 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &,8 III.6 Puiance Réactive Apre avoir éfini la puiance active, nou pouvon éfinir la puiance réactive irectement an la repère iphaé : Q = ( i i ( III.7 Régulation Sou forme matricielle, le puiance active et réactive écrivent : P = Q i i ( III.9 Régulation Une foi la fonction e tranfert ientifiée et on moèle approché connu, il faut réalier la fermeture e la boucle pour u'il puie y avoir aerviement. Eventuellement, il faut aui corriger l'enemble pour en améliorer le performance ; alor, ifférent type e régulateur peuvent être utilié, ayant pour objectif la régulation e boucle interne et externe. Parmi ce régulateur, il y a ceux u on appelle le régulateur "IP". Cette méthoe conite à réalier la fonction intégrale u régulateur avant la fonction proportionnelle. Le but et 'éliminer le zéro en boucle fermée. La figure 7 préente le chéma bloc e ce type e régulateur []. Y(p Le conigne e régulation e courant uivant l axe irect et en uarature ont onnée par : i i ref ref = = + + ( P ( P + Q Q ( Xref + - K i P + - K P Y(p F(p Fig. (7 : régulation e la boucle fermée avec correcteur (IP. Xm III.8 Découplage [7], [9] L éuation ( montre ue le courant i ref et i ref épenent à la foi e courant ur le axe "" et "" ; pour cela, nou allon préenter, e manière uccincte, une méthoe pour écoupler notre ytème. Cette méthoe e bae irectement ur le chéma tructurel u ytème. Elle conite à venir outraire aux graneur e commane le courant reponable u couplage multiplié par une fonction e tranfert. La figure (6 illutre cette méthoe [7]. I. Simulation Dan notre travail, nou avon utilié la commane aaptative via le régulateur IP (an zéro. Le type e compenateur utilié et un onuleur à cin niveaux. Afin analyer le performance e ce type e commane u compenateur, nou allon effectuer un certain nombre e imulation : En premier lieu, la figure (8 préente la tenion uai-inuoïale prouite par l onuleur aini ue on pectre harmoniue ur la figure (9. Enuite, la figure ( montre la imulation e la tenion e commane ref pour la première phae. La figure ( montre le courant e phae I u compenateur par rapport à la tenion u réeau. Pour un premier changement e référence u courant en uarature (I inuctif, le courant et en retar e π par rapport à la tenion (. A partir e t=., le moe et réitif, ou il n y à aucun échange e puiance. A partir e t=., et pour un euxième changement e Fig. (6 : principe e écouplage approché. référence (I capacitif, le courant et en avance e π par rapport à la tenion (. 5

5 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &,8 Afin e voir l influence e principale graneur e régulation, la figure ( illutre l évolution u courant irect I, ui, aprè ue la tenion c atteint a valeur table, il annule car on rôle principal et e charger ou écharger le conenateur. Il rete nul uelue oit le moe. De même, la figure ( montre l évolution u courant I u moe inuctif (+,A. A t=., lor u moe réitif, le courant annule. A t=., le moe et capacitif et le courant change e valeur (-.A. La figure (4 illutre la répone ynamiue e la puiance active ui rete toujour nulle an le troi moe e fonctionnement u compenateur. Elle a la même allure ue le courant I car il ont lié l un à l autre. La figure (5 montre la répone ynamiue e la puiance réactive. Elle pae e (+ ar, an le ca où elle et aborbée par le compenateur, à zéro (à partir e t =., pui à une valeur e (- ar à partir e t=. lorue le compenateur fournit une puiance réactive. Elle a la même allure ue le courant en uarature. La figure (6 montre la tenion c u coté continu ui et maintenue, plu ou moin, à une valeur table (+6v, uelue oit la variation e moe e fonctionnement. En ernier lieu, la figure (7 imule le courant I c coté continu ui pae an le conenateur lor u moe inuctif juu'à t=.. Enuite, aprè un régime tranitoire trè court, il ten ver zéro penant le moe réitif. Finalement, à t=., on pae en moe capacitif aprè un régime tranitoire négligeable Fig. (8 : Tenion e ortie u compenateur e la première phae ref Fig. ( : Tenion e référence ( ref e la première phae Tenion ( Courant(I Fig. ( : Tenion ( et courant (I : paage u moe inuctif au moe capacitif I(t Fig. ( : Courant I an le repère I(t Fig. ( : Courant I an le repère. 6 4 Funamental (5Hz = 76.5v, THD=.% Fig. (9 : Spectre harmoniue e la tenion e la première phae u compenateur Fig. (4 : Puiance active échangée entre le compenateur et le réeau 5

6 ICEEA 8 International Conference on Electrical Engineering an it Application. Sii Bel-Abbè, May &, Fig. (5 : Puiance réactive échangée entre le compenateur et le réeau Fig. (6 : Tenion e ortie c u compenateur Fig. (7 : Courant e ortie I c u compenateur. Concluion Ce ocument écrit la tratégie e commane propoée, baée ur la MLI conventionnelle et ui contrôle à la foi l énergie réactive et l amplitue e la tenion e ortie un onuleur multiniveaux, utilié comme compenateur hunt. pour l obtention u iplôme ingénieur. Univerité Sii Bel Abbe, juin 999. [] B. Singh,. Mihra, R.K.P. Bhatt «Performance analyi of tatic conener for ac voltage regulation, power factor correction an loa balancing» LE(I journal-el, vol 84, june. [] Carlo A. C. Cavaliere, Eon H. Watanabe, Mauricio Aree «Multi-pule STATCOM operation uner unbalance voltage» //$ 7. IEEE. [4] R.W. Menzie, Y. Zhuang «Avance tatic compenation uing a multilevel GTO thyritor inverter» /95/$ IEEE. [5] L. M. Tolbert, F. Z. Peng, T.G. Habetler «A Multilevel converter-bae univeral power conitioner» //$. IEEE. [6] C. J. Hatziaoniu, F. E. Chalkiaaki,.K. Feite «A power conitioner for agri-connecte photovoltaic generator bae on the -level inverter» //$ 7. IEEE. [7] M. Pellerin «Mauette iactiue 'un FACTS (Flexible Alternating Current Tranmiion Sytem». Projet e la réerve tratégiue He-o. Juillet. [8] K. Slaven «Onuleur à niveau multiple et on application en compenation e la puiance réactive» Maîtrie en génie électriue, École e Technologie Supérieure. Univerité u Québec.. [9] G. Grellet, G. Clerc «Actionneur électriue, principe, moèle, commane» Eyrolle, Pari 997. [] E. Gholipour Shahraki «Apport e l'upfc à l'amélioration e la tabilité tranitoire e réeaux électriue» Docteur e l Univerité Henri Poincaré, Nancy-I, Octobre. L analye e réultat e imulation montre ue cette tratégie à e bonne performance ynamiue uelue oit le moe e fonctionnement u compenateur. Nou concluon également ue lor e l utiliation un régulateur (IP an zéro, on a obtenu e répone trè rapie avec e bonne performance ynamiue par contre i on utilie autre régulateur claiue comme le PI on obtient e pic exagéré et par foi l intabilité u ytème. I. Référence [] A.E.K Aboui. et M. Ouabi «Moéliation et commane un compenateur tatiue e puiance réactive e type avancé». Mémoire e fin étue 5