Technique de Commande d un Convertisseur Multiniveau Appliqué pour la compensation d énergie réactive.

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1 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering - April 8 Techniue e Commane un Convertieur Multiniveau Appliué pour la compenation énergie réactive. M. Flitti M.K. Fellah Y. Sahali Abtract Dan cet article, nou repréenton un compenateur tatiue e type avancé, utiliant e onuleur multiniveaux. Dan la première partie, nou élaboron le moèle e fonctionnement u compenateur e type avancé en onnant a repréentation par un chéma électriue éuivalent pui, a repréentation vectorielle, an le ca e on fonctionnement en générateur ou aborbeur e l énergie réactive. La commane e notre ytème et inipenable. Pour cela, la partie commane et contituée e eux boucle interne et une externe. Le boucle interne ervent à réguler le courant u réeau afin e minimier leur contenu harmoniue et échanger avec le réeau une certaine puiance réactive, alor ue la boucle interne a pour objectif e réguler la tenion e ortie u compenateur. Afin e minimier le contenu harmoniue injecté par notre compenateur an le réeau électriue la techniue e moulation propoée pour la commane rapprochée e l onuleur et la moulation Delta. Elle permet e réuire le facteur e itorion harmoniue à e valeur intéreante. La imulation u ytème propoé et élaborée en utiliant le logiciel MATLAB- Simulink. Inex Term onuleur cin niveaux, moulation elta, commane couplée, régulateur IP. L I. INTRODUCTION a 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 [6]. Depui une vingtaine 'année, e nombreux emiconucteur 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 COMPENSATEUR STATIQUE AENCE 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. Une telle tenion contient trop harmoniue (figure. 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 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering ICEEE'8 4

2 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering - April vbo 5 vao tani ue la boucle externe à pour objectif e réguler la tenion e ortie u compenateur. La figure (4, préente un chéma bloc e principe e la régulation 'un compenateur [] 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, i 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 : chéma e régulation e l onuleur an le repère. 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 : Q R y y ta co( y y ta θ θ ( y : tenion u réeau an le point u raccorement ta : tenion prouite par le Statcom. θ : éphaage entre le courant et la tenion u Statcom. : réactance éuivalente u ytème III. MODELISATION DU SYSTEME A. Compenateur [] Chaue bra onuleur et contitué e eux interrupteur biirectionnel. 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 cette onuleur. La relation entre "i" et "" exprime par : S F ( S F S F Aprè calcul, nou obtenon la forme générale e l onuleur ou forme matricielle : 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, c S S S ( n International Conference on Electrical an Electronic Engineering ICEEE'8 4

3 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering - April 8 L obtention e ignaux e commane S, S, S effectue grâce à la «Moulation Delta» (figure 5 cette techniue conite à générer le troi ignaux e ortie par comparaion un ignal inuoïal e référence ( ref à un ignal triangulaire ( p ocillant an une bane e largeur. Si la fréuence e l one moulée ( ref change en maintenant la pente e l one triangulaire contante, le nombre et le largeur e impulion e l one moulante ou ce u on appelle le ignal e ortie e l onuleur change aui. La fonamental e la tenion e ortie ( ao peut être aueu e ( ao max et épen e l amplitue maximale ( ref et la fréuence (f ref e la tenion e référence [9]. Bane 'hytérii ref Bane limite inférieure m Figure (5 : Moulation elta. Bane limite upérieure D. Boucle Externe La boucle externe ert à maintenir la tenion " c " u conenateur à une tenion e référence " cref ". FTBO ext (7 C p E. 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 F. Puiance Réactive Apre avoir éfini la puiance active, nou pouvon éfinir la puiance réactive irectement an la repère iphaé : Q ( i i ( B. Tenion triphaé En utiliant la tranformation e Concoria, 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 C. 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. i( p FTBOint ( p ( p ( p (5 ao FTBO in ( p (6 R ( + τ p Avec : L τ R G. Régulation Sou forme matricielle, le puiance active et réactive écrivent : P Q i i ( Le conigne e régulation e courant uivant l axe irect et en uarature ont onnée par : i i ref ref + + H. Découplage [5], [7] ( P ( P + Q Q ( 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. 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 [5]. n International Conference on Electrical an Electronic Engineering ICEEE'8 44

4 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering - April 8 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 a aucun échange e puiance. A partir e t., et pour un euxième changement e référence (I capacitif, le courant et en avance e π par rapport à la tenion (. La figure ( illutre la I. Régulation Fig. (6 : principe e écouplage approché. 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 [8]. Y (p Y (p répone ynamiue e la puiance active ui rete toujour nulle an le troi moe e fonctionnement u compenateur. La figure ( 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. La figure (4 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 (5 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. 5-5 ref + - K i P + - K P F(p m Fig. (8 : Tenion e ortie u compenateur e la première phae [volt] Fig. (7 : régulation e la boucle fermée avec correcteur (IP Funamental (5Hz 75., THD 8.48% I. SIMULATIONS 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 uaiinuoïale 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 Fig. (9 : Spectre harmoniue e la tenion e la première phae u compenateur [volt]. ref Fig. ( : Tenion e référence ( ref e la première phae [volt]. n International Conference on Electrical an Electronic Engineering ICEEE'8 45

5 n International Conference on Electrical an Electronic Engineering - April tenion ( courant (I Fig. ( : Tenion ( et courant (I : paage u moe inuctif au moe capacitif Fig. ( : Puiance active échangée entre le compenateur et le réeau [Watt] Fig. ( : Puiance réactive échangée entre le compenateur et le réeau [ar] Fig. (4 : Tenion e ortie c u compenateur [olt].. CONCLUSION Cet article écrit la tratégie e commane propoée, baée ur la moulation Delta (Zioga et ui contrôle à la foi l énergie réactive et l amplitue e la tenion e ortie un onuleur multiniveaux, utilié comme compenateur hunt. 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. REFERENCES [] A.E.K Aboui. et M. Ouabi «Moéliation et commane un compenateur tatiue e puiance réactive e type avancé». Mémoire e fin étue 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. [] R.W. Menzie, Y. Zhuang «Avance tatic compenation uing a multilevel GTO thyritor inverter» IEEE tranaction on power ilivery, vol, N, PP April 995. [4] L. M. Tolbert, F. Z. Peng, T.G. Habetler «A Multilevel converter-bae univeral power conitioner». IEEE tranaction on inutry application, vol 6, N, PP March/April. [5] M. Pellerin «Mauette iactiue 'un FACTS (Flexible Alternating Current Tranmiion Sytem». Projet e la réerve tratégiue He-o. Juillet. [6] 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.. [7] G. Grellet, G. Clerc «Actionneur électriue, principe, moèle, commane» Eyrolle, Pari 997. [8] 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. [9] M. Kéita «Téchniue e commane e convertieur» Maîtrie en technologie e ytème, École e Technologie Supérieure. Univerité u Québec Fig. (5 : Courant e ortie I c u compenateur [Ampère]. n International Conference on Electrical an Electronic Engineering ICEEE'8 46