Filtre actif paralléle

Introduction
La structure d'un filtre actif parallèle se décompose en deux parties, soit d'une partie
puissance et d'une partie commande. La partie puissance se compose d'un onduleur à base
d’interrupteurs de puissance, commandables à l’amorçage et au blocage (GTO, IGBT,… etc.)
avec des diodes en antiparallèle, d’un filtre de couplage et d’un élément passif fait un circuit de
stockage d’énergie, souvent capacitif.
La partie commande, sert au contrôle de la commutation des éléments onduleur, la méthode
d’identification des courants perturbés.
Partie Puissance
Filtre
Onduleur
Source
d’énergie
Mesure des variables
du réseau
Partie commande
Signaux de référence
Ou
Génération d’harmonique
Signaux de commande des
semi conducteurs
Structure générale d'un filtre actif parallèle
Structure du filtre actif
L'onduleur est la partie essentielle du filtre actif. Dépendamment du type de filtre de
couplage le reliant au réseau ainsi que de l'élément passif qui lui sert de source d'énergie, il
s'agira d'un onduleur de tension ou de courant. L'onduleur peut être commandé en tension ou en
courant et peut donc se comporter comme une source de tension ou de courant vis-à-vis du circuit
extérieur. En pratique, suivant le type de correction à apporter au réseau, une structure sera
préférée à l'autre si elle rend plus aisée et moins onéreuse la réalisation de l'ensemble
convertisseur commande.
La source d'énergie composant le filtre peut être une source de tension ou de courant. Comme
l'onduleur n'a pas à fournir de puissance active, cette source peut être un élément réactif,
condensateur ou inductance, dans lequel on maintient constante la valeur moyenne de l'énergie
stockée. Cet élément de stockage d'énergie n'a pas besoin d'être lui-même alimenté par une
source continue. La raison est que le filtre actif peut être contrôlé de manière à suppléer aux
pertes de sa source d'énergie à partir du courant fondamental générée par la source du réseau
auquel il est connecté.
Filtre actif parallèle à structure de tension
La figure illustre le filtre actif parallèle à structure de tension. Seul le circuit de stockage
caractérise la structure, une capacité ou une inductance servant de source d'énergie est la capacité
C qui doit délivrer une tension à valeur presque constante est inférieur a la tension supportable
par les semi-conducteurs. De plus, l’inductance Lf du filtre à des limites, car cela affecterait les
performances de compensation du filtre actif. L'inductance par laquelle l'onduleur est relié au
réseau sert à filtrer les courants harmoniques hautes fréquences. Ces courants harmoniques sont
causés par les impulsions de tension générées par l'onduleur.
Filtre actif parallèle à structure de courant
Sur la figure suivante est illustré le filtre actif parallèle à structure de courant. Seule
l'inductance et le filtre passe-bas de deuxième ordre de sortie caractérisent cette structure.
L'élément servant de source d'énergie est l'inductance (Ldf) qui doit délivrer un courant continu de
valeur quasi constante, la présence du filtre de couplage sert à filtrer les tensions harmoniques
générées par les courants de l'onduleur. Dans le but, d’éliminée le phénomène de résonnance, des
résistances peuvent être insérées dans le filtre passe-bas.
Pour que les états des interrupteurs ne dépendent que des signaux de contrôle, il faut commander
un seul composant par demi-pont. Le problème est lors du passage de court d’une phase à l’autre,
phénomène d’empiétement Des trois interrupteurs reliés à la même borne de la source de courant
continu, il faut qu'il y en ait toujours un fermé pour que cette source de courant ne soit jamais en
circuit ouvert.
Ce type de filtre peut être installé directement aux bornes du récepteur pollueur pour
assurer une dépollution locale et au niveau du TGBT pour assurer une dépollution globale.
Stratégie de commande
La stratégie de commande se base sur la détection des courants perturbateurs dans le domaine
temporel. Trois possibilités d’identification des courants perturbateurs ont déjà été perturbateurs
ont déjà été proposées :

Identification à partir de la détection du courant de la charge polluante

Identification à partir de la détection du courant de la source

Identification à partir de la détection tension de la source.
La méthode la plus utilisée est celle appelée méthode des puissances réelles et imaginaires
instantanées, Cette méthode est valide aussi bien en régime permanent qu'en régime transitoire.
En présence des harmoniques, la puissance apparente est composée de trois parties active,
réactive et déformante.
S² = P² + Q²+D²
Dans cette stratégie de contrôle, les mesures des tensions et des courants exprimés sous forme
triphasée (a-b-c) sont converties en système biphasé (α-β) équivalent à l'aide de la transformée de
Concórdia qui laisse la puissance invariante :
La puissance réelle instantanée p et la puissance réactive instantanée q peuvent être exprimées de
façon équivalente en système biphasé par :
Ce qui nous donne :
La puissance réelle instantanée ainsi que la puissance imaginaire instantanée peuvent être
exprimées de la façon suivante
Où p et q sont, de façon respective, les composantes des puissances moyennes actives et réactives
correspondant au courant de charge fondamentale (50 Hz), alors que 'p et q correspondent aux
composantes alternatives liées au courant harmonique. La compensation d'harmoniques par le
filtre actif se fait par la génération de ces dernières :
En conséquence, l'élimination de la composante fondamentale dans les équations 5.6 et 5.7
s'effectue à l'aide de deux filtres passe-bas de Butterworth (figure 5.1) d'ordre deux [26].
Les courants de compensation de référence se calculent par la formule suivante
La méthode des puissances instantanées possède les quelques caractéristiques suivantes :

Elle est une théorie inhérente aux systèmes triphasés.

Elle peut être appliquée à tout type de systèmes triphasés (équilibré ou déséquilibré, avec
ou sans harmonique).

Elle est basée sur des valeurs instantanées, ce qui lui donne de bons temps de réponse
dynamique.

Le nombre d'harmoniques compensé dépend de la bande passante des semi-conducteurs
composant l'onduleur du filtre actif.

Méthode de calcul simple (elle n'est composée que d'expression algébrique et peut être
implémentée à l'aide d'un processeur standard).
La régulation et l’adaptation du filtre actif :
Pour que le filtre actif s’adapte aux variations de la charge on doit agir sur deux
paramètres essentiels qui sont la tension continue à l’entrée de l’onduleur et le courant du filtre
actif parallèle.
1 -Régulation de la tension continue
La tension moyenne Vdc aux bornes du condensateur doit être maintenue à une valeur fixe. Les
principales causes susceptibles de la modifier sont les pertes dans le filtre actif (semi-conducteur
et filtre de sortie). La régulation de la tension moyenne aux bornes du condensateur de stockage
d’énergie doit se faire par l’adjonction des courants fondamentaux actifs dans les courants de
référence. La sortie du régulateur Pc s’ajoute, à un signe près, à la puissance active perturbatrice
P~ et donne lieu à un courant fondamental actif corrigeant ainsi Vdc (Cf . Fig). La puissance Pc
représente la puissance active nécessaire pour maintenir la tension Vdc égale à la valeur de la
tension de référence souhaitée (Vdc-ref).
Le régulateur employé ici est un régulateur proportionnel simple (Kc) avec une action de filtrage
au préalable sur la tension mesurée Vdc, réalisée par un filtre passe-bas du deuxième ordre de
manière à atténuer les fluctuations à 300 Hz.
En négligeant les pertes de commutations dans l’onduleur ainsi que l’énergie stockée dans
l’inductance du filtre de sortie, la relation entre la puissance absorbée par le filtre actif et la
tension aux bornes du condensateur peut s’écrire sous la forme suivante :
Notons que la relation (..) est non linéaire. Pour des faibles variations de la tension Vdc autour de
sa référence Vdc-ref, elle peut être linéarisée à travers les relations suivantes :
La régulation de la tension continue peut être fonctionnellement représentée par la fig
2- régulation du courant du filtre actif paralléle
En négligeant les effets de la capacité Cdc et des résistances du filtre de sortie sur le courant de
référence Iinj (pour les harmoniques basses fréquences qui sont loin de la fréquence de
commutation), nous pouvons écrire la relation suivante caractérisant le courant du filtre actif Iinj :
Notons par f I_
_ la différence entre le courant de référence et le courant mesuré à partir de la relation suivante :
Des équations (II.26) et (II.27), nous obtenons l’expression ci-dessous :
Le premier terme de la partie droite de la relation (II.28) peut être défini comme tension de
référence (Vf-ref), ce qui nous donne l’expression suivante :
L’écart entre ref f V _
_ et f V_ produit alors une erreur sur le courant. Selon la relation (II.29), la tension de référence
est composée de deux termes à fréquences différentes. Le premier représente la tension du réseau
Vs directement mesurable. Le second est égal à la chute de tension aux bornes de l’inductance Lf,
lorsque celle-ci est traversée par un courant égal à celui de la référence. Ce terme doit être
élaboré par un régulateur de courant, comme le montre la Fig. II.12.
Méthode de régulation par PI
Un régulateur doit satisfaire aux objectifs généraux de la régulation ainsi qu’aux
contraintes liées au rejet des perturbations. Dans le cas d’un régulateur aussi simple que le
régulateur PI, et à cause du manque de degré de liberté que nous impose ce dernier, seule la
poursuite des références pour un point de fonctionnement fixe pourra être envisagée. A cela
s’ajoute le problème du compromis à trouver dans le cas d’une structure de filtre actif parallèle
avec un filtre de sortie du premier ordre (choix de l’inductance). En effet, un régulateur PI ne
peut pas assurer, avec les seuls paramètres de correction KP et KI, les objectifs de régulation en
boucle fermée pour un système d’origine d’ordre supérieur à un.
Par conséquent, pour résoudre des problèmes plus complexes de contrôle-commande de filtre
actif parallèle, il est souhaitable d’aborder des régulateurs plus avancés, dont le nombre de
paramètres se détermine en fonction de l’ordre du système d’origine. Le choix d’une méthode de
régulation basée sur un régulateur RST peut répondre à ces critères de régulation plus sévère.