Revue des Sciences et de la Technologie - RST- Volume 5 N 1 / janvier 2014

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1 Revue des Sienes et de la Tehnologie - RST- Volume 5 N 1 / janvier 214 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas Laboratoire D életrotehnique Université Mentouri Route d Ain El Bey, Constantine, ALGERIE Laboratoire d Automatique de Sétif, Département d Eletrotehnique de Sétif, ALGERIE Résumé Cet artile est onsaré à la dépollution des réseaux életriques par un filtre atifs parallèle (FAP). On ommene le travail par l étude d un Filtre multi-variable (FMV) basé sur la transformée de Conordia. La partiularité de e filtre est l extration séletive ou globale des ourants harmoniques de référenes sur l axe de Conordia pour ompenser les harmoniques du réseau, et de onséquent, améliorer la qualité d énergie. Ensuite, on présente l impat d une harge fortement apaitive sur la qualité du filtrage d un FAP ontrôlé par l approhe FMV. Cet impat est validé par des résultats de simulations numériques sous l environnement Matab / Simulink d un système de puissane PD3 à diode débité sur une harge fortement apaitive. Ces résultats nous a permis de dévoiler l influene majeur de e type de harges sur la qualité du filtrage. Mots lés FAP, Harmoniques, FMV, Système de puissane PD3, Qualité d énergie, Charge Fortement Capaitive, Filtrage Globale, transformée de Conordia Abstrat This artile is devoted to the depollution of the eletrial supply networks by shunt ative power filter (SAPF). We start by studying a self tuning filter (STF) based on Conordia transformation. This transformation is based on the extration of the referenes of harmoni urrents in the Conordia axis to ompensate network harmoni and by onsequene, improve the quality of power system. Next, we present the influene of a strongly apaitive load on the quality of the filtering of a SAPF ontrolled by a STF approah. This influene is validated by numerial simulations under Matlab-Simulink environment of a system of power PD3 a diode debited in a strongly apaitive load this results prove the major influene of this types of load in filtering quality. Key word SAPF, Harmoni, STF, System of Power PD3, Quality of Energy, Strongly Capaitive Load, Conordia transformation I. INTRODUCTION La prolifération de perturbations életriques est due à un nombre roissant de harges non linéaires présentent dans les lignes életriques (tels que les onvertisseurs, les ordinateurs personnels, les appareils à tubes fluoresents, et.). Tous es appareils possèdent la partiularité d absorber des ourants non sinusoïdaux et don d introduire dans les lignes életriques des pollutions harmoniques en ourant. Les omposantes harmoniques générées se propagent dans l ensemble du réseau de distribution életrique sous la forme de ourants qui peuvent sérieusement affeter d autres appareils en allant parfois même jusqu à les 5

2 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif détériorer [1]. Depuis maintenant quelques années, les Filtres Atifs Parallèles (FAPs) se sont révélés être des tehniques effiaes pour la ompensation des omposantes harmoniques [2]. Ces filtres herhent à identifier les omposantes harmoniques afin de les réinjeter effiaement dans le réseau életrique en opposition de phase. Ils sont également apables de orriger le fateur de puissane et de ompenser l éventuel déséquilibre d un système triphasé. De plus, les FAPs peuvent être insérés aisément dans les installations existantes de distribution életrique sans néessiter de grandes modifiations. Reonnus pour leur failité de mise en œuvre, pour leur robustesse et leur fiabilité, ils représentent aujourd hui la tehnique la plus largement employée pour dépolluer les systèmes életriques [2], [3]. Un FAP basé sur la tehnique d extration FMV peut ompenser, en temps réel, totalement ou partiellement toute perturbation pouvant survenir sur le réseau életrique [4]. Dans et artile nous présentons le prinipe d extration à base du FMV, et l impat d une harge fortement apaitive sur la qualité du filtrage d un filtre atif parallèle et en montant l effet du filtre atif pour une harge indutive d une part et d autre part pour une harge fortement apaitive. Les résultats de simulation numérique dans l environnement Matlab- Simulink montrent bien et effet. II. STRUCTURE GENERAL D UN FILTRE ACTIF PARALLELE La struture générale d un FAP triphasé de type tension est présentée par la Fig. 1 où l on distingue l onduleur et le filtre de sortie de la partie puissane ainsi que les différents blos de la partie ontrôle-ommande. La partie puissane est généralement onstituée d un onduleur de tension à base d interrupteurs de puissane dont les états des interrupteurs de l'onduleur sont ontrôlés par le régulateur à hystérésis dont la bande d'hystérésis h vaut.4a [4], d un iruit de stokage d énergie (souvent apaitif) et d un filtre de sortie du premier ordre afin d'atténuer les omposantes dues aux ommutations de l'onduleur et à onneter le filtre atif au réseau életrique [1],[5]. La partie ontrôle-ommande est omposée d une première étape dont le rôle est l identifiation des harmoniques dont la qualité du filtrage dépend en grand partie de la méthode d identifiation des harmoniques de référenes, et d une seonde étape qui réalise la régulation de la tension ontinue. Une troisième et dernière étape génère la ommande de l onduleur. Fig. 1 struture générale du filtre atif parallèle. N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas 51

3 N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas III. IDENTIFICATION DES COURANTS HARMONIQUES DE REFERENCES PAR UN FILTRE MULTI-VARIABLE FMV A. Prinipe du Filtre Multi-Variable FMV Le filtre multi-variable est un filtre d extration, hautement séletif, développé, entre autres, au sein du laboratoire de Nany. Son prinipe de base s appuie sur les travaux de Song Hong-Sok [5], [6], et basé sur l'extration de la omposante fondamentale ou harmonique des signaux, diretement selon les axes ( ). B. Modèle Mathématique du Filtre FMV Le modèle mathématique est développé dans la première fois par Song Hong-Sok, la relation entre les grandeurs d entrées et de sortie ayant un effet intégrale [6] omme le montre l Equation (1). ˆ j ( ) t j t i s e e i ( t ). dt (1) Où : la pulsation de oupure Après la transformation de Laplae de l Equation (1), on a trouvé l Equation (2) [6]. iˆ ( s) s j H ( s) i ( s) s 2 2 (2) La fontion de transfert (2), elle preuve que le signal de sortie î est en phase ave le signal d entrée i. D'ailleurs, si nous traçons le diagramme de Bode de ette fontion de transfert nous trouverons des similitudes ave un filtre de passe bande. Supposer maintenant que nous ajoutons deux nouvelles onstantes K1 et K2 dans l expression (2). Alors nous avons obtenu l'equation (3) omme suite : iˆ ( s) ( s K1) j H ( s) K2. i ( s) 2 2 ( s K1) (3) Si on pose K2 2 et on varie K 1 trouve les Figures i-dessous, on peut traer le diagramme de Bode en 3D, on L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif 52

4 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif H(s) [db] f [Hz] 4 2 Fig. 2 Courbe du Gain de H ( s) en Fontion de f et K K arg H(s) [rad] f[hz] K Fig. 3 Courbe de la Phase de H ( s ) en Fontion de f et K 1 Les Fig.2 et Fig.3 montrent que : 1. à 5Hz, l angle de phase du diagramme de Bode est nul. Ce qui signifie que deux signaux d entrer et de sortie sont en phase l un par rapport l autre. 2. pour que H ( s) db, il est néessaire que : K1 K2 K 2 Tant que K1 K2 K l expression (3) deviendra omme suite : iˆ ( s) ( s K) j H ( s) K. i ( s) 2 2 ( s K) (4) N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas 53

5 N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas Sahant que l ériture sous forme omplexe est donnée omme suite : iˆ ( ) ˆ ( ) ˆ s i s ji ( s) ( s) i ( s) ji ( s) (5) Selon les axes ( ), les expressions liant les omposantes î en sortie du FMV aux omposantes d entrée i sont les suivantes : ˆ ( s K ). K i ( ) K i s i ( s) ( s K ) 2 2 ( ) 2 2 (6) s K ˆ K ( s K) i ( ). i ( ) 2 2 s K i s 2 2 (7) ( s K) ( s K) Les expressions (6) et (7) peuvent érire omme suite : ˆ K ( [ ( ) ˆ i ( )]. ˆ i s i s i ( s)) (8) s s ˆ K ( [ ( ) ˆ i ( )]. ˆ i s i s i ( s)) (9) s s La Fig.4 montre le shéma de iruit du filtre dérit par le l Equation (3). Où: Fig. 4 Shéma de Ciruit du FMV i : Le ourant életrique d entrée du FMV selon les axes ( ). ˆ : i La omposante du ourant qui passe dans le filtre FMV. L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif 54

6 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif K : onstante à fixer par le diagramme de Bode. h.2. f : Pulsation du ourant identifie. C. Identifiation des Harmonique de référenes à base du FMV Quant aux ourants diphasés d axes ( ) ils peuvent être définis omme la somme d une omposante fondamentale et d une omposante harmonique [7] : i i 1 i h i i 1 i h (1) Où : i 1 : Composante fondamentale du ourant i h sur l axe. i 1 : Composante fondamentale du ourant i h sur l axe. i h : Composante harmonique du ourant i h sur l axe i h : Composante harmonique du ourant i h sur l axe Le rôle du FMV est d extraire les omposantes fondamentales du ourant de harge à la pulsation 2. f ave ( f 5 Hz) diretement selon les axes ( ) Ensuite, les omposantes harmoniques du ourant selon les axes ( ), notées ii i h et i h sont obtenues en soustrayant sur haque axe, la sortie du FMV à son entrée. Les ourants harmoniques de référenes sont obtenus par la transformation inverse de Conordia [4], [5]. ih _ ref i h ih _ ref 2 1/2 3/2 3 i h i 1/2 h _ ref 3 3/2 (11) La Fig.5 représente l algorithme de l identifiation globale des harmoniques du ourant de la harge à base de la tehnique du filtre multi-variable de sorte que : T 32 T 32 t : Transformer inverse de Conordia. : Transformer diret de Conordia. N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas 55

7 N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas Fig. 5 Algorithme d Identifiation des Harmoniques de Référene à base du Filtre FMV IV. RESULTATS DE SIMULATION NUMERIQUE Le système simulé est montré dans la Fig.6 (la harge non linéaire est PD3 à diode débité sur une harge fortement apaitive). Les modèles et l ensemble des simulations sont réalisés dans l environnement Matlab/Simulink. L onduleur est ommandé par la ommande Hystérésis. L objetif est de montrer l effiaité du filtrage atif (globale) des harmoniques à base du filtre multi-variable FMV, et l impat d une harge fortement apaitive sur la qualité du filtrage. Les paramètres du système simulé sont donnés omme suites. f 5Hz, Ls.115mH, Rs 1m, L.1mH, R 1m, Ld.2H, Rd 1, Vs eff 22V, Lf 1mH, Rf 1m, h.4a, Cd 8mF, Vd g 7V, C=1µF Fig. 6 Système Simulé A. Filtrage Atif des Courants Harmoniques Pour une harge Indutive Fig. 7 Filtrage des Harmoniques du Courant Pour une Charge Indutive à Base d un FMV L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif 56

8 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif 8 Fundamental (5Hz) = 39.68, THD= 27.56% 6 Mag Harmoni order 4 Time (s) Fundamental (5Hz) = 41.79, THD=.21% 3 Mag Harmoni order 4 Time (s) Fundamental (5Hz) = 1.28, THD= 91.79% 3 Mag Harmoni order Fig. 8 (a), (b), () Spetres Harmoniques des Courants i, i s et i f N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas 57

9 N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas B. Filtrage Atif des Courants Harmoniques Après l insertion d une Charge Fortement Capaitive 1 ih (A) is (A) if (A) t (s) Fig. 9 Effet de la Charge Capaitive sur la Qualité du Filtrage d un FAP Fundamental (5Hz) = 43.1, THD= 75.6% Mag Fundamental (5Hz) Harmoni = order, THD= 21.43% Mag Harmoni order Fig. 1 (a), (b), Spetres Harmoniques des Courants i, i s et Les résultats de simulation numérique présentent le ourant de la harge, le ourant délivré par la soure et elui fourni par le filtre atif. On remarque après l insertion d une harge fortement apaitive de valeur C=1µF après indutive à l instant,1s que la forme d onde du ourant de soure est déformé La apaité du filtre atif à ompenser les harmoniques ourant de la harge est démontrée L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif 58

10 L impat d une Charge Fortement Capaitive Sur la Qualité du Filtrage d un FAP Contrôlé Par un Filtre Multi-Variable Hautement Séletif par la leture de spetre harmonique du ourant de réseau après le filtrage. Le THD du ourant de soure passe de 27.56% avant le filtrage, à,21% après le filtrage pour une harge indutive (aepté dans les normes international CEI inferieur de 5%), après l insertion d une, harge fortement apaitive il passe de 75,6% avant le filtrage à 21,33% après le filtrage (refusé dans les normes international CEI, plus de 5%) V. CONCLUSION Dans e travail nous avons étudié une nouvelle approhe FMV d identifiation des harmoniques de référenes et son appliation dans un FAP ave harge fortement apaitive. Nous avons onstaté que le FAP s applique mieux ave les harges à aratère indutives et ne onvient pas ave les harges fortement apaitives. On outre, la méthode d identifiation FMV est très effiae pour extraire les harmoniques de référenes individuellement ou globalement, ainsi, l identifiation des harmoniques par un FMV n a pas besoin d un iruit PLL ontraire p-q et d-q., en plus de sa failité de mise en ouvre, l approhe FMV nous a permis de ompenser les harmoniques du réseau en régime déformé et déséquilibré de tension. VI. REFERENCE [1] H. Akagi, "Trends in Ative Power Line," IEEE Transations on Power Eletronis, vol. 9, no. 3, pp , 1994 [2] N. Bruyant, Etude et ommande généralisées de filtres atifs parallèles, ompensation global ou séletive des harmoniques, régime équilibré ou déséquilibré». Thèse de dotorat de l'université de Nantes, Frane, (1999). [3] T. Gouraud, «Identifiation et rejet de perturbations harmoniques dans des réseaux de distribution életrique». Thèse, Nantes, Frane, (1997). [4] M. Abdusalam, P. Poure and S. Saadate, «Hardware implementation of a three-phase ative filter system with harmoni isolation based on Self-Tuning-Filter». PESC, 39th IEEE Power Eletronis Speialists Conferene, Island of Rhodes, Greee, (28). [5] S. Hong-Sok, P. Hyun-Gyu, N. Kwanghee, An instantaneous phase angle detetion algorithm under unbalaned line voltage ondition, in: IEEE 3th Annual Power Eletronis Speialist Conferene PESC 99, vol. 1, August, 1999, pp. [6] S. Hong-Sok, Control sheme for PWM onverter and phase angle estimation algorithm under voltage unbalaned and/or sag ondition, Ph.D in eletroni and eletrial engineering, POSTECCH university, Republi of KOREA (South), 21. [7] M. Abdusalam, P. Poure and S. Saadate, «Study and experimental validation of harmoni isolation based on Self-Tuning-Filter for three-phase ative filter». ISIE, IEEE International Symposium on Industrial Eletronis, Cambridge, UK, (28). N. Hamouda, H. Benalla & K.E Hemsas 59

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