République Algérienne Démocratique et Populaire
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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique Université d’El-Oued Faculté des Sciences et de la Technologie Filière de génie électrique En collaboration avec Le Laboratoire de génie Électrique de Biskra (LGEB) MÉMOIRE Présenté pour obtenir le diplôme de Magister en Electrotechnique Option : Maîtrise de l’Energie Electrique Par Mr. HADA HICHAM Etude, Simulation et Applications des filtres actifs série Soutenu le 07 /10 / 2013 Devant le jury composé de : Mr. BENATTOUS Djillani M.C Université d’El-Oued Président Mr. BENCHOUIA Moh. Toufik M.C Université de Biskra Rapporteur Mr. SRAIRI Kamal Pr Université de Biskra Examinateur Mr. GOLEA Amar Pr Université de Biskra Examinateur Mr. ZALLOUMA Laid M.C Université d’El-Oued Invité Résumé Résumé L'objectif de cette mémoire est contribution à l'étude du filtre actif série à trois niveaux, en utilisant différentes stratégies de contrôle à base de contrôleurs conventionnels et intelligents en vue de réduire les harmoniques de tension à valeur conforme aux normes standards. Dans un premier temps nous avons présentés les différentes perturbations qui peuvent avoir lieu dans les réseaux électriques, ainsi que les types de filtre actif. Dans un deuxième temps, l'étude à été focalisé sur le filtre actif série dédié à la compensation des harmoniques de tension et des autres perturbations liés à la tension en particulier les creux de tension, surtension, déséquilibre de tension. La commande des (FAS) est réalisée moyennant des contrôleurs conventionnels puis intelligents (logique floue) pour des topologies de convertisseur deux et trois niveaux. Les modèles de simulations sont développés en utilisant le logiciel MATLAB-Simulink. Les résultats de simulation obtenus montrent l'efficacité et les bonnes performances du filtre actif série en particulier ceux à base des contrôleur floue pour la compensation des harmoniques et perturbations liés à la tension. Mots clés : Filtre actif série à trois niveaux, logique floue, taux de distorsion harmonique, puissances instantanées. Abstract The objective of this memoir is the contribution to the study of the series active filter at three levels, using different control strategies based on conventional and intelligent controllers to reduce the voltage harmonics to standards values. In the first part we presented the various disturbances that can occur in electrical networks, and the types of the active filter. In a second part the study was focused on the active series used to compensate voltage harmonics and all other voltage disturbances such us voltage sags, flickers and unbalances. The control (SAF) is performed by means of conventional and intelligent controllers (fuzzy logic) using the two and three levels inverter topology. The simulation models are developed using MATLAB-Simulink, the obtained simulations results demonstrate the effectiveness of the series active filter particularly these based on controller flou to compensate voltage harmonics and disturbances related to the voltage. Keywords: three-level Series Active Filter, fuzzy logic, harmonic distortion, instantaneous power. Résumé ملخـــص انهذف يٍ هاحه انًزكشة هى انًساهًت في دساست انًصفاة انخسهسهيت راث انثالد يسخىياث ،ورنك باسخؼًال يخخهف االسخشاحيدياث وَضى انخحكى انخمهيذيت وانزكيت وهزا نهخمهيم يٍ حىافمياث فشق انكًىٌ إنً يسخىياث حخُاسب يغ انًؼايش انذونيت ،في انبذايت لذيُا ػشضا نًدًم االضطشاباث انخي يًكٍ أٌ حخىاخذ في انشبكاث انكهشبائيت ،وحطشلُا أيضا ػهً أَىاع انًصافي انفؼانت .بؼذ هزا حشكضث انذساست ػهً انًصفاة انفؼانت انًخسهسهت ( )FASانًخصصت نهمضاء ػهً حىافمياث فشق انكًىٌ ويؼظى االضطشاباث األخشي يثم َمص فشق انكًىٌ ،صيادة فشق انكًىٌ ،أو ال حضايٍ فشق انكًىٌ. حى انخحكى في انًصفاة انخسهسهيت باسخؼًال َضى ححكى حمهيذيت وَضى ححكى ركيت (انًُطك انضبابي) يؼخًذيٍ ػهً يحىالث ثُائيت وثالثيت انًسخىي .ولذ حى حطىيش ًَارج انًحاكاة انؼذديت باسخخذاو بشَايح ، MATLAB-Simulink وانُخائح انًخحصم ػهيها أثبخج فؼانيت انًصفاة انخسهسهيت وخاصت يُها انخي حؼًم بُظى ححكى انًُطك انضبابي في انمضاء ػهً انخىافمياث واالضطشاباث انًخؼهمت بفشق انكًىٌ. كلمات مفتاحيه :انًصفي انخسهسهي انفؼال رو ثالد يسخىياث ،انًُطك انغايض ،انخىفيماث ،االسخطاػت انهحظيت . Remerciements Je remercie en premier lieu dieu tout puissant pour m'avoir donné la force et la volonté d'accomplir ce modeste travail. Je voudrais tout d’aborde exprimer toute ma reconnaissance à mon encadreur Mr M. Toufik BENCHOUIA maitre conférence à l’université Mohamed Khider BISKRA et Mr Djilani BENATOUS maitre conférence a l’université d’El Oued. Je remercie les messieurs : Laid ZELLOUMA et Bobaker ZEGUEB. Je remercie également tous membres de jury pour l’honneur qu’ils me font en acceptant de participer au jury, en l’occurrence : Mr. SRAIRI Kamal professeur à l’université de BISKRA. Mr. GOLEA Amar professeur à l’université de BISKRA. Liste des tableaux LISTE DES TABLEAUX Tab I-1 Niveaux de compatibilité pour les tensions harmoniques individuelles sur les réseaux publics basse tension (CEI 61000-2-2)…………………………………. 09 Tab I-2 Limite des composantes harmoniques en courant (CEI 61000-3-2)…………….. 09 Tab I-3 Conséquences des creux de tension sur quelques équipements électriques sensibles………………………………………………………………………….. 20 Tab II-1 Obtention des deux niveaux de tension en fonction des états des interrupteurs………... 26 Tab II-2 Obtention des deux niveaux de tension pour toutes les combinaisons possibles……….. 26 Tab II-3 Obtention des trois niveaux de tension en fonction des états des interrupteurs…………. 27 Tab II-4 Obtention des trois niveaux de tension pour toutes les combinaisons possible…………. 28 Tab II-5 Valeurs des éléments constituant la structure générale du FAS…………………. 43 Tab II-6 Performances de compensation des harmoniques de tension en fonction de la méthode de commande d'onduleur………………………………………………. Tab II-7 47 Performances de compensation des harmoniques de tension en fonction de la méthode D'identification et de la topologie du convertisseur……………………. 52 Tab III-1 Opérateurs de base de la logique floue…………………………………………... 59 Tab III-2 Implication floue…………………………………………………………………. 60 Tab III-3 Matrice d’inférence floue………………………………………………………... 62 Tab III-4 Méthodes usuelles de l’inférence floue…………………………………………. 63 Tab III-5 Matrice d’inférence des règles floues.................................................................... 67 Tab III-6 Performance de compensation des harmoniques de tension d'un FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveaux et contrôleur floue…………………. 70 Tab III-7 Caractéristiques des perturbations appliquées…………………………………… 74 Liste des figures LISTE DES FIGURES Fig. I-1 Fig. I-2 Fig. I-3 Fig. I-4 Fig. I-5 Fig. I-6 Fig. I-7 Fig. I-8 Fig. I-9 Fig. I-10 Fig. I-11 Fig. I-12 Fig. I-13 Fig. II-1 Fig. II-2 Fig. II-3 Fig. II-4 Fig. II-5 Fig. II-6 Fig. II-7 Fig. II-8 Fig. II-9 Fig. II-10 Fig. II-11 Fig. II-12 Fig. II-13 Fig. II-14 Fig. II-15 Fig. II-16 Fig. II-17 Fig. II-18 Diagramme de Fresnel des puissances………………………………….…...…. Cas particulier de déséquilibre du système triphasé de tension…………………….. Creux de tension triphasé…………………………………………...……………. Engagement EMERAUDE sur les creux de tension…………………………... Surtension de 25% durant trois cycles…………………………………………. Filtre passif résonant…………………………………………………………… Filtre passif amorti……………………………………………………………... Filtre actif série………………………………………………………………… Filtre actif parallèle……………………………………………………….......... Combinaison parallèle-série actifs (UPQC)…………………………………… Filtre actif série en parallèle avec un filtre passif parallèle……………….......... Filtre actif série en série avec un filtre passif parallèle………………………… Filtrage actif parallèle avec un filtre passif en parallèle………………….......... Schéma de principe d'un filtre actif série………………………………………. Onduleur de tension deux niveaux…………………………………………….. Onduleur de tension trois niveaux……………………………………………… Compensateur série avec filtre passe-bas LC…………………………………... Schéma de principe d'un filtre actif série utilisant un redresseur à diodecondensateur…………………………………………………………………… Schéma de principe d'un filtre actif série à mode de charge autonome………... Identification des tensions perturbatrices par méthode PQ1…………………… Identification des tensions perturbatrices par méthode PQ2…………………… Principe de la stratégie de commande par hystérésis des onduleurs à deux niveaux…………………………………………………………………………. Principe de la stratégie de commande par hystérésis des onduleurs à trois niveaux…………………………………………………………………………. Commande d'un onduleur deux niveaux………………………………….......... Principe d’une MLI intersective à deux porteuses appliquée au filtre actif série trois niveaux……………………………………………………………………. Modèle de la MLI intersective à deux porteuses appliquée au filtre actif série trois niveaux……...…………………………………………………..………… Bloc diagramme du filtre actif série…………………………………………..... 08 10 11 12 13 17 17 19 19 20 21 21 22 24 25 27 29 32 32 38 40 40 41 41 42 42 43 Bloc de simulation du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur à hystérésis à base d'un convertisseur de tension deux niveaux…………………………………………………………………………. 44 Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé-Convertisseur de tension deux niveaux-méthode PQ(1)…………………………………….......... 45 Spectre harmoniques de la tension de source sans filtre actif série……………. 46 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur hystérésis…………………………………………… 46 Liste des figures Fig. II-19 Fig. II-20 Fig. II-21 Fig. II-22 Fig. II-23 Fig II-24 Fig. II-25 Fig. II-26 Fig. II-27 Fig. II-28 Fig. III-1 Fig. III-2 Fig. III-3 Fig. III-4 Fig. III-5 Fig. III-6 Fig. III-7 Fig. III-8 Fig. III-9 Fig. III-10 Fig. III-11 Fig. III-12 Fig. III-13 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ1………….......... Bloc du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(2) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension deux niveaux…………………………………………………………………………. Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension deux niveaux –méthode PQ(2)………………………. Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ2………….......... Bloc du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension trois-niveaux (NPC) ………………………………………………………………………………….. Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux –méthode PQ(1)…………….................. Spectre des harmoniques de la tension de la charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ1……………….. Bloc du s FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(2) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension trois-niveaux (NPC)……………………………………………………………....................... Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux –méthode PQ(2)…………….................. Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ2……………….. Concept flou des différentes catégories de la taille d’un homme……………… Différentes formes des fonctions d’appartenance…………………………….. Structure d’une commande floue………………………………………………. Conception d’un contrôleur flou………………………………………….......... Modèle du contrôleur flou établi sous Matlab-Simulink………………………. Partitions floues………………………………………………………………… Bloc du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur flou à basse d'un convertisseur de tension trois niveaux……………………….. Analyse temporelle de la compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux……………… Spectre des harmoniques de la tension de la charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur flou…………………………………………………. Analyse temporelle de la compensation d'un déséquilibre de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur flou……………. Analyse temporelle de la compensation d'un creux de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur flou………………………… Analyse temporelle de la compensation d'une surtension de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur flou…………………….. Analyse temporelle de la Compensation des touts les perturbations de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur flou………… 47 48 48 49 49 50 50 51 51 52 56 58 61 64 65 66 68 69 70 71 72 73 74 Liste des abréviations et sigles LISTE DES ABRÉVIATIONS ET SIGLES THDv : THDi : 𝜏𝑣 : BT: CEI: D: S: P: Q: F.P: FAS: FAP : FPB: FPH: GTO: IGBT: UPQC: PQ: MLI: fp : PLL: d,q: P: q: P: q: Vs : Is : Rs : Ls : Lc : Rc : Si : Vd-des : Vp, Vn,V0 : Lfs, Cfs, Rfs: Rt1, Lt1 : R1, R2: e: de: le taux de distorsion harmonique en tension. le taux de distorsion harmonique en courant. Taux de déséquilibre de tension. Basse tension. Commission Electrotechnique Internationale Puissance Déformante. Puissance apparente. Puissance active. Puissance réactive. Facteur de puissance. Filtre Actif Parallèle. Filtre Actif Parallèle. Filtre Passe Bas. Filtre Passe Haut. Gate turn off. Insolated Gate Bipolar Transistor. Conditionneur universel d'énergie électrique. Méthode des puissances active et réactive instantanées(PQ). Modulation de largeur d'impulsion. Fréquence de la porteuse. Boucle à verrouillage de phase. Axe direct, axe en quadrature du plan tournant synchrone (d,q) Puissance continue liée à la composante fondamentale active. Puissance continue liée à la composante fondamentale réactive. Puissance harmonique active. Puissance harmonique réactive. Tension simple efficace de la source. Valeur efficace du courant de la source. Résistance du réseau couté source. l’inductance du réseau Inductance du réseau couté charge. Résistance du réseau couté charge. Etat de l’interrupteur i (ouvert ou fermé). Tension désirée. Composantes symétriques directe, inverse et homopolaire respectivement. L’inductance, capacité et la résistance du filtre actif série. Résistance et l’inductance du transformateur ramenées au primaire. La résistance et l’inductance du transformateur, côté primaire et côté secondaire. Erreur. Variation de l'erreur. Sommaire SOMMAIRE Introduction générale………………………………………………… CHAPITRE I : PERTURBATION ET DEPOLLUTION DE RESEAUX ELECTRIQUES I.1 Introduction…………………………………………………………………… I.2 Qualité de l'énergie électrique………………………………………………... I.3 Perturbations électriques……………………………………………………... I.3.1 Perturbations harmoniques en courant et en tension……………………. I.3.1.1 origine des harmoniques………………………..………………... I.3.1.2 Effets des perturbations harmoniques…………………………...... I.3.1.3 Caractérisation des perturbations harmoniques…………………... I.3.1.4 Normes standard en courant et tension harmoniques…………… I.3.2 Le déséquilibre du système de tension triphasé………………………... I.3.2.1 Conséquences du déséquilibre…………………………………… I.3.2.2 Normes standard-déséquilibre du système triphasée……………... I.3.3 Creux de tension……………………………………………………….. I.3.3.1 Origine de creux de tension……………………………………. I.3.3.2 Conséquences des creux de tension……………………………. I.3.3.3 Normes standard-creux de tension……………………………….. I.3.4 Surtension……………………………………………………………... I.3.4.1 Origine des surtensions………………………………………….. I.3.4.2 Conséquences et effets de la surtension…………………………. I.3.4.3 Normes standard des surtensions……………………………….. I-4 Solutions de dépollution des réseaux électriques…………………………….. I.4.1 Solutions traditionnelles………………………………………………. I.4.2 Solutions modernes…………………………………………………… I.4.2.1 Le filtre actif série (FAS)………………………………………... I.4.2.2 Le filtre actif parallèle (FAP)…………………...………………. I.4.2.3 La combinaison parallèle-série actifs…………………………… I.4.2.4 Combinaison hybride active-passive…………………................ I.4.2.4.1 Filtre actif série en parallèle avec un Filtre passif . parallèle………………………………………………… I.4.2.4.2 Filtre actif série en série avec un Filtre passif parallèle… I.4.2.4.3 Filtre actif parallèle avec un filtre passif en parallèle…... I.5 Conclusion…………………………………………………………………… CHAPITRE II : FILTRAGE ACTIF SERIE DE PUISSANCE, PRINCIPE, STRATEGIE DE COMMANDE II.1 Introduction………………………………………………………………….. II.2 Principe de fonctionnement d'un Filtre Actif Série…………………………. II.2.1 Partie puissance du filtre actif série…………………..………………… II.2.1.1 Onduleur de tension à deux niveaux……………………...……… II.2.1.2 Onduleur de tension à trois niveaux……………………...……… II.2.1.3 Filtre de sortie………………..…………………………………… 01 04 04 04 05 05 05 06 08 10 10 11 11 11 12 12 13 13 14 14 15 15 18 19 19 20 20 21 21 22 22 24 24 25 25 27 29 Sommaire II.2.1.4 Transformateur d'injection……………..………………………… II.2.1.5 système de stockage de la tension continue …………………….. II.2.2 Partie commande du filtre actif série......................................................... II.2.2.1 Identification des tensions perturbatrices………...………………. II.2.2.1.1 Méthode basée sur le calcul des composantes symétriques…. II.2.2.1.2 Méthode basée sur le calcul des perturbations dans le repère(d.q) II.2.2.1.3 Méthodes des puissances active et réactive instantanées (PQ)…. II.2.2.2 La commande de l'onduleur........................................................... II.2.2.2.1 La commande de l’onduleur par hystérésis…………………. II.2.2.2.2 La commande de l’onduleur par MLI intersective.................. II-3 Simulation du fonctionnement d'un filtre actif série-charge non linéaire . inductive II.3.1 Filtre actif série à base d'un convertisseur de tension deux niveaux……. II.3.1.1 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(1)…………………...… II.3.1.1.1 Commande par contrôleur hystérésis……………….......…… II.3.1.1.1.1 Compensation des harmoniques de tension…………… 30 30 33 33 II.3.1.1.2 Commande par contrôleur MLI intersective…………...……. II.3.1.2 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(2)………………...…… II.3.2 Filtre actif série à base d'un convertisseur de tension trois niveaux……. II.3.2.1 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(1)…………..……… II.3.2.2 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(2)…………………. II-4 Conclusion…………………………………...………………………………. 47 48 49 49 51 53 CHAPITRE III : APLICATION DE LA LOGIQUE FLOUE AU FILTRE ACTIF SERIE TROIS NIVEAUX III.1 Introduction…………………………………………………………………. III.2 historique de la logique floue……………………………………………….. III.3 Concept de la logique floue.............................................................................. III.4 Notions de base de la logique floue…………………………………………….. III.4.1 Ensemble floue………………………………..…………………………. III.4.2 Fonction d'appartenance………………………………………………… III.4.3 Variables linguistiques……………………………………………………… III.4.4 Operateurs de la logique floue……………………………………………… III.4.5 Règles floues………………………………………………………………... III.5 Commande par la logique floue…………………………………………………. III.5.1 Base des règles…………………………………………………………….. III.5.2 Interface de fuzzification…………………………………………………. III.5.3 Mécanisme d’inférence floue……………………………………………… III.5.4 Interface de défuzzification……………………………………………….. III.6 Conception d’un contrôleur floue………………………………………………… III.7 Application a la commande d’un filtre actif série……………………………….. III.7.1 Description générale du modèle filtre actif-contrôleur floue………………… III.7.2 Construction de la commande floue (MLI floue)………………………… III.7.2.1 Fuzzification…………………………………………………………. III.7.2.2 Base des règles………………………………………………………. III.7.2.3 Mécanisme d’inférence……………………………………………… 33 35 36 40 40 41 43 44 44 44 44 55 55 56 57 57 58 59 59 60 61 61 62 62 63 64 65 65 65 65 66 67 Sommaire III.7.2.4 Défuzzification……………………………………………………… 67 III.8 Résultats de simulation sous Matlab-Simulink…………………………………. 68 III.8.1 Compensation des harmoniques de tension………………………………. 68 III.8.2 Compensation d'un déséquilibre de tension ……………………………… 71 III.8.3 Compensation d'un creux de tension……………………………………… 72 III.8.4 Compensation d'une surtension……………………………………………. 73 III.8.5 Compensation de toutes les perturbations…………………………………… 74 III.9 Conclusion…………………………………………………………………………. 75 CONCLUSION GENERALE……………………………………………………………. 77 REFERENCES BIBLIOGRAPHIES .............................................................................................................. 80 81 ANNEXE…………………………………………………………………………………. 83 INTRODUCTION GENERALE Introduction générale INTRODUCTION GENERALE L’utilisation croissante dans l’industrie de systèmes commandés à base d’électronique de puissance entraîne de plus en plus de problèmes de perturbation au niveau des réseaux électriques. Ainsi, on assiste à une augmentation régulière, de la part des utilisateurs, des taux d’harmonique et de déséquilibre des courants, ainsi qu’à une importante consommation de la puissance réactive. La circulation de ces mêmes courants perturbés va également provoquer des harmoniques et des déséquilibres de tension, lesquels vont se superposer à la tension nominale du réseau électrique. De plus, des incidents du type coups de foudre ou un brusque démarrage d’une machine tournante à forte puissance peuvent entraîner à des perturbations telles que les surtensions, les creux tensions, le déséquilibre, les harmoniques de tension, qui affectent l’onde de tension. Ces perturbations ont des conséquences néfastes sur les équipements électriques, qui peuvent aller d’un fort échauffement et un dysfonctionnement jusqu’à leur destruction totale. Il est donc nécessaire de protéger les appareils qui sont de plus en plus sensibles aux perturbations électriques présentes sur le réseau, tels que, les ordinateurs, les équipements médicaux et les circuits de télécommunications… Pour faire face à tous ces problèmes, les filtres passifs constituent une solution possible et usuelle. Plus particulièrement, les filtres passifs LC sont exploités pour la réduction des taux d’harmoniques alors que les condensateurs seuls permettent la correction du facteur de puissance. Par contre, ces dispositifs ont montré leurs limites et inconvénients comme : une compensation fixe, taille et volume importants, résonance et dépendent des performances et des structures du réseau. La croissance importante de la pollution harmonique a conduit les chercheurs en électronique de puissances et en automatique à développer et à mettre au point des solutions plus efficaces et flexibles capables de répondre aux exigences ayant trait à la qualité de l’énergie électrique. Ce type de dispositifs est généralement désigné sous le terme de Filtres Actifs (FA) ou encore nommé par Filtres Actifs de Puissance (Actif Power Filters-APF). Plusieurs solutions de dépollution des réseaux électriques ont été déjà proposées dans la Littérature. Celles qui répondent le mieux aux contraintes industrielles d’aujourd’hui sont les compensateurs actifs parallèle, série et combinaison parallèle-série actifs (aussi appelés UPQC). Le compensateur actif parallèle peut être utilisé pour compenser les courants harmoniques et déséquilibrés de même que la puissance réactive. Le compensateur série peut compenser à la fois les tensions harmoniques et déséquilibrées, et les creux de tension. Introduction générale L’UPQC correspond à une solution universelle de compensation pour un, plusieurs ou tous les types de perturbation de courant et de tension que l’on observe sur le réseau. Progressivement, et de manière à endiguer l’augmentation des problèmes de perturbation sur les réseaux électriques, des normes de qualité électrique de plus en plus contraignantes seront imposées aux fournisseurs et aux consommateurs industriels. Face à ces nouvelles réglementations mais aussi face à la demande de plus en plus spécifique des utilisateurs d’énergie électrique, les compensateurs actifs doivent s’adapter en rendant plus complexes leurs structures et leurs méthodes de régulation. D’autant plus que ces solutions doivent se soumettre aux limites physiques et technologiques inhérentes aux dispositifs de filtrage actif. Dans cette mémoire, on vise à présenter une étude détaillée du concept de filtrage actif série, et à démontrer ses contributions dans l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique. Pour ce faire, on a réparti le manuscrit en trois chapitres: Le premier chapitre est consacré à la description des différentes perturbations induites sur les réseaux de distribution, leurs origines et leurs conséquences. Les normes standards pour chaque perturbation. Ensuite, nous présentons également les solutions classiques et modernes de dépollution. Le deuxième chapitre porte sur l'étude du filtre actif série (FAS) à structure de convertisseur de tension deux et trois-niveaux. Nous présentons dans un premier temps les principaux éléments qui constituent notre système ou structure électrotechnique et leurs caractéristiques. La deuxième partie traite les stratégies d’identification des tensions de références. La troisième partie fait l’objet d’une étude comparative de deux structures différentes du filtre actif série à basse d'un convertisseur de tension deux et trois-niveaux. Le troisième chapitre, on a appliqué une nouvelle approches de contrôle à basse de logique flou sur le filtre actif série dans le but d’améliorer les performances du filtre. Les travaux de simulation ont été élaborés en utilisant le logiciel MATLAB/Simulink et le Toolbox SimPowerSystems. En fin le travail est clôturé par une conclusion générale et des perspectives d’avenir. CHAPITRE I Perturbation et dépollution des réseaux électriques Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.1 Introduction L'objectif fondamental des réseaux électriques est de fournir aux clients de l'énergie électrique avec une parfaite continuité, sous forme de tension sinusoïdales, avec des valeurs d'amplitude et de fréquence préétablies. Par contre l'utilisation intensive des convertisseurs statiques à conduit à l'augmentation de la pollution harmonique dans les réseaux électriques et une forte consommation de la puissance réactive. Cette dégradation peut être crée aussi par des dysfonctionnements de matériels sur le réseau (saturation des transformateurs, création des pertes supplémentaires dans les lignes de transport, …), des incidents climatiques (foudre) [1]. Dans ce chapitre, nous étudierons les caractéristiques générales des perturbations électriques. Ensuite, nous détaillerons les origines, les conséquences matérielles et les limites tolérées et imposées par les normes internationales de ces perturbations. Finalement, nous présentons les solutions classiques et modernes utilisées pour limites cette pollution. I.2 Qualité de l'énergie électrique La qualité de l'énergie électrique est étroitement liée à la qualité de l'onde de tension laquelle est caractérisée par les paramètres suivants [2]: • Forme d'onde qui doit être la plus proche possible d'une sinusoïde. • Equilibre et symétrie parfaite des phases en amplitude et en phases. • Valeur efficaces dans les limites tolérées. • Stabilité de la fréquence. • Facteur de puissance dans des limites tolérables. I.3 Perturbations électriques Les perturbations sont tous les phénomènes internes ou externes au réseau ayant un pouvoir de modifier d'une manière transitoire ou permanente en amplitude et/ou en forme les grandeurs électrique du réseau (courant, tension, fréquence). Ces perturbations peuvent être classées selon deux critères ; selon la durée de persistance ou selon le mode d'affectation c'est -àdire leurs conséquences sur les grandeurs électriques [2]. Selon la première classification, on a deux catégories essentielles: 4 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques • Perturbations périodiques: (qui durent dans le temps), comme le cas des distorsions harmoniques, chutes de tension dues aux flux de puissance réactive dans le réseau, et les déséquilibres, • Perturbation apériodiques: ou l'en a principalement l'ensemble des phénomènes fugitifs souvent très difficiles à prévoir comme les creux de tension ou surtension transitoires. Selon leur mode d'affectation, on distingue trois familles principales: • Perturbation sur l'amplitude ou la valeur efficace, • Déséquilibre des systèmes triphasés, • Distorsions harmonique. I.3.1 Perturbations harmoniques en courant et en tension I.3.1.1 Origine des harmoniques Les harmonique sont la superposition sur l'onde fondamentale à 50 Hz, d'ondes également sinusoïdales mais de fréquences multiples de celle du fondamental. Les charges domestique et industrielles non linéaires tels que les appareils d'éclairage fluorescent, les fours à arcs, les redresseur…, représentent la plus grande majorité de sources d’harmoniques. Dans le cas d’une modulation alternative à basse fréquence du courant de charge, comme c’est le cas avec le cycloconvertisseur, des composantes sous harmoniques de rangs inférieurs à 1 et des composantes inter-harmoniques de rangs non multiples ou sous – multiples entiers du fondamental apparaissent [3]. I.3.1.2 Effets des perturbations harmoniques Bien que la susceptibilité de différents appareils soit diversifiée à l'égard des harmoniques, on distingue essentiellement deux sortes d'effets [2] : a. Effets instantanés Les effets instantanés apparaissent immédiatement sur les équipements: systèmes électroniques et électromécaniques: on peut citer parmi les effets, le dérangement des commutations des thyristors lorsque les grandeurs harmoniques déplacent le passage à zéro de la tension, l'augmentation de la marge d'erreur des appareils de mesures; ou encore le déclenchement intempestif des relais de protection. 5 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques effets électrodynamiques: la présence d'harmoniques entraîne des vibrations et des bruits dans les appareils électromagnétiques. Des couples mécaniques parasites dus aux champs tournants harmoniques donnant des vibrations dans les machines tournantes. b. Effets à terme Ils se manifestent après une exposition plus ou moins longue à la perturbation harmonique. L'effet à terme le plus important est de nature thermique, il se traduit par l'échauffement qui conduit à une fatigue prématurée du matériel, des lignes et amènent un déclassement des équipements. Echauffement des câbles et des équipements: Ces effets peuvent être à moyen terme (de quelques secondes à quelques heurs) ou à long terme (de quelques heurs à quelques années) et concernent les câbles qui peuvent être le siège du sur-échauffement de neutre et les matériels bobinés comme les transformateurs ou les moteurs. Echauffement de condensateurs: L’échauffement est causé par les pertes dues au phénomène d'hystérésis dans le diélectrique. Les condensateurs sont donc sensibles aux surcharges, qu'elles soient dues à une tension fondamentale trop élevée ou à la présence d'harmoniques. Ces échauffements peuvent conduire au claquage. Echauffements dus aux pertes supplémentaires des machines et des transformateurs: Echauffements causés par les pertes dans les stators des machines et principalement dans leurs circuits rotoriques (cage, amortisseurs, circuits magnétiques) à cause de différences importantes de vitesse entre les champs tournants inducteurs harmoniques et le rotor. Les harmoniques génèrent aussi des pertes supplémentaires dans les transformateurs, par hystérésis et courants de Foucault dans le circuit magnétique. I.3.1.3 Caractérisation des perturbations harmoniques Différentes grandeurs sont définies pour caractériser la distorsion en régimes harmonique. Le taux global de distorsion harmonique ou (total harmonic distortion) en anglais (THD) et le facteur de puissance sont les plus employés pour déterminer les perturbations harmoniques et la consommation de puissance réactive. 6 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques Le taux de distorsion harmonique Le taux de distorsion est un paramètre qui définit globalement la déformation de la grandeur alternative. La perturbation harmonique est généralement caractérisée par le taux de distorsion harmonique en tension ou en courant. Cette notion permet de caractérise la déformation créée par les harmoniques par rapport à une onde sinusoïdale. Le taux de distorsion harmonique en tension s'exprime comme suit [3]: ∞ 𝑇𝐻𝐷𝑣 = ℎ=2 𝑉ℎ2 𝑉12 I.1 Le taux de distorsion harmonique en courant est exprimé par: ∞ 𝑇𝐻𝐷𝑖 = ℎ=2 𝐼ℎ2 𝐼12 I.2 Avec 𝑉1 , 𝐼1 sont les valeurs efficaces de la tension ou du courant fondamental Et 𝑉ℎ , 𝐼ℎ sont les valeurs efficaces des différentes harmoniques de la tension ou du courant. En général, les harmoniques pris en compte dans un réseau électrique sont inférieurs à 2500 Hz, ce qui correspond au domaine des perturbations basses fréquences au sens de la normalisation. Les harmoniques de fréquence plus élevée sont fortement atténués par l'effet de peau et par la présence des inductances de lignes. De plus, les appareils générant des harmoniques ont, en grande majorité, un spectre d'émission inférieur à 2500 Hz, c'est la raison pour laquelle le domaine d'étude des harmoniques s'étend généralement de 100 à 2500 Hz, c’està-dire des rangs 2 à 50 [4]. a. Le facteur de puissance Normalement, pour un signal sinusoïdal le facteur de puissance (F.P) est donné par le rapport entre la puissance active P et la puissance apparente S: 𝐹∙𝑃 = 𝑃 = cos 𝜑 𝑆 I.3 7 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques Mais dans le cas où il y a des harmoniques, une puissance supplémentaire appelée la puissance déformante (D), donnée par la relation (I.4), apparaît comme le montre le diagramme de Fresnel de la figure (I.1). 50 𝐼ℎ2 𝐷 = 3𝑉1 I.4 ℎ=2 Le facteur de puissance devient: 𝐹∙𝑃 = 𝑃 𝑃2 + 𝑄2 + 𝐷2 = cos 𝜑1 ∗ cos 𝛾 I.5 En revanche, une faible valeur du facteur de puissance se traduit par une mauvaise utilisation de tous équipements dimensionnés pour la tension et le courant nominaux [5], [6]. Fig. I-1 Diagramme de Fresnel des puissances I.3.1.4 Normes standard en courant et tension harmoniques L'objectif des normes et des réglementations est de limiter les dysfonctionnements occasionnés par les harmoniques. La Commission Électrotechnique Internationale (CEI) définit le niveau des courants et des tensions harmoniques à ne pas dépasser par une série de normes de compatibilité électromagnétique (CEI 61000).Nous pouvons citer à titre d'exemple [7]: La norme CEI 61000-2-2: elle définit les niveaux de compatibilité de tensions harmoniques sur les réseaux publics basse tension. Elle est représentée sur le tableau (I.1).Cette norme vise à protéger les équipements raccordés sur un réseau basse tension déformé. 8 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques La norme CEI 61000-3-2: cette norme représentée sur le tableau (I.2) fixe la limitation des courants injectés dans le réseau public pour des équipements dont le courant par phase est inférieur à 16 A. Il s'agit là des appareils du domaine domestique. Rang impairs non multiples de 3 Rang impairs multiples de 3 Range pairs Rang Tension Harmonique % Rang Tension Harmonique % Rang Tension Harmonique % 5 6 3 5 2 2 7 5 9 1,5 4 1 11 3,5 15 0,3 6 0,5 13 3 21 0,2 8 0,5 17 2 >21 0,2 10 0,5 19 1,5 12 0,2 23 1,5 >12 0,2 25 1,5 >25 0,2+0,5*25/n Tableau I-1 Niveaux de compatibilité pour les tensions harmoniques individuelles sur les réseaux publics basse tension (CEI 61000-2-2) Range impair Courant harmonique Range paire maximal autorisé (A) Courant harmonique maximal autorisé (A) 3 2.3 2 1.08 5 1.14 4 0.43 7 0.77 6 0.30 9 0.40 8<=n<=40 0.23*8/n 11 0.33 13 0.21 15<=n<=39 0.15*15/n Tableau I-2 Limite des composantes harmoniques en courant (CEI 61000-3-2) 9 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.3.2 Le déséquilibre du système de tension triphasé Dans un système triphasé, on parle de déséquilibre lorsque l'égalité des modules des trois tensions ou de leur déphasage relatif n'est plus vérifiée [8]. 400 phase 1 phase 2 phase 3 300 Amplitude (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05 temps (s) Fig. I-2 Cas particulier de déséquilibre du système triphasé de tension I.3.2.1 Conséquences du déséquilibre: Il est plus intéressant d'aborder le problème du déséquilibre par type d'équipement. Le déséquilibre d’une installation triphasée peut entraîner un dysfonctionnement des appareils de basses tensions connectés [3],[4] : Mauvais fonctionnent d’un appareil monophasé alimenté par une tension très faible (lampe à incandescence qui fournit un mauvais éclairage), Destruction d’un appareil monophasé alimenté par une tension trop élevée, il peut être détruit (claquage d'un filament de lampe par surtension). Concernant les dispositifs triphasés d’électronique de puissance, principalement les ponts redresseurs, le fonctionnement en présence de déséquilibre entraîne l'apparition de composantes harmoniques non caractéristiques, notamment des harmoniques de rang multiple de 3. L’apparition de ces courants harmoniques peut poser des problèmes, comme la génération d’une antirésonance lors du filtrage de l’harmonique de rang 5. Outre les effets classiques des harmoniques, ces fréquences non caractéristiques peuvent conduire, dans certains cas, au blocage de la commande. La conséquence des composantes inverses sur les machines tournantes est la création d’un champ tournant en sens inverse du sens de rotation normal, d'où un couple de freinage parasite et des pertes supplémentaires qui provoquent l’échauffement de la machine. Concernant l'effet du déséquilibre homopolaire, il faut signaler le risque d'échauffement du conducteur neutre dans un réseau BT qui, lorsque le conducteur est d'un diamètre trop faible, peut provoquer une rupture du conducteur ou un incendie. 10 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.3.2.2 Normes standard-déséquilibre du système triphasé Le déséquilibre en tension est caractérisé par le taux de déséquilibre de tension 𝜏𝑣 donné par le rapport des amplitudes de la tension inverse et directe: 𝜏𝑣 = 𝑉𝑖 𝑉𝑑 I.6 Une tension dont le taux de déséquilibre moyen 𝜏𝑚 ne dépasse pas 2% est acceptable [3], [4]. I.3.3 Creux de tension Un creux de tension est une diminution brutale de tension de 10% à 90% de la valeur nominale pour une durée de 10ms jusqu'à 1min [9]. Les creux de tension sont caractérisés par leur amplitude et par leur durée. Ils sont monophasés, biphasés ou triphasés suivant le nombre de phases concernées. 400 phase 1 phase 2 phase 3 300 Amplitude (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 temps(s) Fig. I-3 creux de tension triphasé I.3.3.1 Origine de creux de tension Le creux de tension ont pour principale origine les courts-circuits affectant le réseau électrique ou les installations raccordées, et le démarrage de moteurs de forte puissance (asynchrones essentiellement). En général, le courant des moteurs atteint au moment de leur démarrage 5 à 6 fois le courant nominal et diminue progressivement lorsque la machine se rapproche de sa vitesse nominale. Cette surintensité produit une chute de tension qui décroît avec la diminution du courant. Les creux de tensions engendrés par le démarrage des moteurs de forte puissance durent entre quelques secondes et quelques dizaines de seconde et se caractérisent par des chutes de tension sur les trois phases [9]. Enfin, les creux de tension peuvent également être engendrés par la saturation des transformateurs ou des modifications dans la structure du réseau. Cependant, ces perturbations provoquent rarement des chutes de tension importantes. 11 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.3.3.2 Conséquences des creux de tension Les creux de tension sont susceptibles de perturber le fonctionnement de certaines installations industrielles et tertiaires. En effet, ce type de perturbation peut causer des dégradations de fonctionnement des équipements électriques qui peuvent aller jusqu’à la destruction totale de ces équipements. Le tableau (I.3) résume les conséquences néfastes causées par les creux de tension sur quelques matériels industriels et tertiaires sensibles [4]. Types d’appareils Eclairage Conséquences néfastes Moins de luminosité, extinction et ré-allumage (lampes à arc) Systèmes à base d’électronique Arrêt du dispositif de puissance Dispositifs de protection Ouverture des contacteurs Moteurs asynchrones Ralentissements, blocage, surintensité au retour de la Tension Moteurs synchrones Perte de synchronisme, décrochage et arrêt du moteur Variateurs de vitesse pour un En mode onduleur : destruction des protections moteur à courant continu En mode redresseur : ralentissement de la machine Variateurs de vitesse pour un Ralentissement, blocage, surintensité au retour de la moteur asynchrone tension, destruction éventuelle de matériel au niveau du convertisseur Tableau I-3 Conséquences des creux de tension sur quelques équipements électriques sensibles. I.3.3.3 Normes standard-creux de tension L'engagement d'EDF, à travers le contrat EMERAUDE, se présente sous forme de seuils, Les creux de tension étant caractérisés par leur profondeur et leur durée, avec des limites de 30% et de 600 ms, comme le montre la figure (I.4) [4]. U Un 0.7 Un Durée du phénomène 600 ms Fig. I-4 Engagement EMERAUDE sur les creux de tension 12 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.3.4 Surtension Une surtension de courte durée désigne l'augmentation de l'amplitude de la tension en atteignant entre 110% et 180% la valeur nominale à la fréquence fondamentale pour une durée allant de 0.5 cycle jusqu'à 1 minute [10]. La figure (I-5) montre la représentation graphique d'une surtension de 25% durant trois cycles de la fréquence fondamentale. 400 300 Amplitude (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 temps (S) Fig. I-5 Surtension de 25% durant trois cycles. I.3.4.1 Origine des surtensions Par la nature même de leur origine, il existe deux façons de classer les surtensions [14]: a. Surtensions par décharges électriques atmosphériques: Les orages sont des événements très habituels, et aussi très dangereux. Au moment de l’impact, la foudre provoque une impulsion de courant qui arrive à atteindre des dizaines de milliers d’ampères. Cette décharge génère une surtension dans le système électrique qui peut provoquer des incendies, la destruction de machines et y compris la mort de personnes. b. Surtensions de commutation Ces surtensions sont générées dans les lignes électriques, principalement en raison des deux motifs suivants: Commutations de machines de grande puissance: Les moteurs électriques sont des charges très inductives dont la connexion et le débranchement provoque des surtensions. Il existe de même d'autres processus capables de les produire, comme par exemple l'allumage et l’extinction de la soudure à l’arc. Manœuvres et/ou failles dans l'approvisionnement électrique: En cas de court-circuit dans un certain point du réseau, les protections de la compagnie électrique y répondent en ouvrant le circuit, suivies par les tentatives de ré-enclenchement au cas où il s’agisse d’une faille transitoire, ce qui produit les surtensions typiques de connexion de charges inductives. 13 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.3.4.2 Conséquences et effets de la surtension Les installations subissent périodiquement un certain nombre de surtensions non négligeables. Les conséquences de la surtension sont très diverses selon le temps d''application, la répétitivité, l'amplitude, le mode (commun ou différentiel), la raideur du front de montée et la fréquence. En fait, les risques se situent essentiellement au niveau des dysfonctionnements, de la destruction de matériels sensibles et notamment des composants électroniques et, en conséquence, de la non-continuité de service. Ces effets peuvent apparaître sur les installations des distributeurs d'énergie ou sur les installations des utilisateurs [5]. Les perturbations peuvent conduire à: Claquage du diélectrique, cause de destruction de matériel sensible (composants électroniques …). Dégradation de matériel par vieillissement (surtensions non destructives, mais répétées). Des interruptions courtes (ré-enclenchements automatiques sur les réseaux de distribution publique MT par lignes aériennes). Coupure longue entraînée par la destruction de matériel (intervention pour changement d'isolants détruits, voire remplacement de matériel, perte de facturation pour les distributeurs et pertes de production pour les industriels) Perturbations des circuits de contrôle et de communication à courant faible. Contraintes électrodynamiques et thermiques (incendie) causées par la foudre essentiellement. I.3.4.3 Normes standard des surtensions Mis à part les élévations accidentelles de tension, par exemple branchement d'un transformateur 110 V en 380 V, les seules élévations de tension qui peuvent dépasser la plage nominale de variation Un+ 10% s'observent lorsque le réseau BT n'est pas chargé [5]. Mais, les transformateurs des postes sources sont généralement équipés de régleurs en charge qui permettent au distributeur d'énergie de maintenir la MT dans la plage Un ± 7%. En effet, plusieurs normes fixent les niveaux de surtensions selon le schéma de liaison à la Terre de l'installation: a. Réseaux à neutre à la Terre (raccordé directement ou avec une impédance) la surtension ne devra pas dépasser 1, 7 Un ; b. Réseaux à neutre isolé ou résonant : la surtension ne devra pas dépasser 2 Un. À noter que le front de montée des chocs de foudre retenu par les normes, est de 1,2 ms pour la tension et 8 ms pour le courant. 14 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I-4 SOLUTIONS DE DEPOLLUTION DES RESEAUX ELECTRIQUES Deux types de solutions sont envisageables. La première consiste à utiliser des convertisseurs statiques moins ou peu polluants, tandis que la seconde consiste en la mise en œuvre d’un filtrage des composantes harmoniques. La première classe de solutions s’intéresse à la conception tandis que la seconde consiste à compenser les courants ou les tensions harmoniques [12]. Deux groupes de solutions de dépollution pour compenser toutes les perturbations peuvent être distingués : les solutions traditionnelles et les solutions modernes. I.4.1 Solutions traditionnelles Ce sont des techniques qui doivent être connues par tous les électriciens. Elles apportent une solution facile et rapide pour certains cas de perturbations bien localisées et utilisent des composants passifs (inductances, condensateurs, transformateurs) et/ou des branchements qui modifient le schéma de l’installation [7]. I.4.1.1 Agir sur la structure de l'installation : il est souhaitable d'alimenter un grand pollueur par un transformateur à part, afin de le séparer d'un récepteur sensible. Face à un pollueur moyen il est préférable d'effectuer l'alimentation par des câbles distincts au lieu de les connecter en parallèle. Une distribution en étoile permet le découplage par les impédances naturelles et/ou additionnelles. I.4.1.2 Surdimensionnement ou déclassement de l'installation électrique : on procède généralement au surdimensionnement des équipements afin d'assurer leur tenue aux surcharges harmoniques. Cette solution n'agit pas sur les harmoniques qui ne subissent aucune action curative de la part de l'utilisateur. Par cette approche, les problèmes liés à la pollution harmoniques sont résolus pendant une durée limitée. Le déclassement des équipements de distribution électrique soumis aux harmoniques est utilisé dans le cas des installations existantes. Cette méthode cause un surcoût de production et ne tire pas profit du potentiel réel de l'installation. I.4.1.3 Renforcement de la puissance de court-circuit : la diminution de l'impédance totale en amont de la charge non linéaire permet de réduire la tension créée par les harmoniques de courant, et donc de diminuer le taux de distorsion harmonique en tension au point de raccordement. Cependant, les courants harmoniques ne sont pas atténués. I.4.1.4 Rééquilibrage des courants du réseau électrique : c'est une solution qui permet de répartir les charges d'une manière identique sur les trois phases. En effet, les charges monophasées et biphasées mal réparties engendrent des courants déséquilibrés dans un réseau électrique basse tension. 15 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.1.5 Transformateur à couplage spécial : Il s'agit de limiter la circulation des courants harmoniques à une partie aussi petite que possible de l'installation à l'aide d'un transformateur à couplage approprié. L'utilisation d'un transformateur d'isolement, de rapport 1/1 à couplage triangle-étoile ou triangle zigzag, empêche la propagation des courants harmoniques de rang 3 et leurs multiples circulant dans le neutre, ce procédé n'a aucun effet sur les autres rangs harmoniques [3]. I.4.1.6 Inductances (selfs) série: Cette méthode est utilisée pour les entraînements à vitesse réglable (variateurs de vitesse) et les redresseurs triphasés. Elle consiste à introduire une inductance série en amont d'une charge non linéaire. La self à cependant une efficacité limitée. Il faut en installer une par charge non linéaire [1]. I.4.1.7 Augmentation de l'indice de pulsation du convertisseur: Cette méthode consiste à utiliser un transformateur à deux secondaires délivrant des tensions décalées de 30° entre elles, chacun de ces secondaires alimente un redresseur en pont de Graëtz, réalisant ainsi un redressement hexaphasés. Les redresseurs doivent fournir des courants continus identiques afin que les courants alternatifs qu'ils prélèvent sur les secondaires des transformateurs aient les mêmes valeurs. Dans ces condition, il y a une recombinaison des courants harmoniques, générés par chacun des redresseurs au primaire du transformateur et le calcul montre que les harmoniques de rang 6K± 1 avec K impair (les harmoniques 5 et 7 dont les amplitudes théoriques sont les plus importantes) sont éliminés. Les harmoniques 11 et 13 sont conservés tandis que les harmoniques 17 et 19 sont éliminés. Les harmoniques restants sont donc de range 12 K ±1 avec K entier naturel ayant une faible amplitude avec un effet moins important [1]. I.4.1.8 Filtrage passif Le filtrage passif se fait par la mise en parallèle avec l’impédance du réseau d’un circuit de très faible impédance devant l’impédance du réseau à la fréquence de l’harmonique que l’on veut éliminer, le courant choisit le chemin le moins résistant et de ce fait l’harmonique pour le quel le filtre a été dimensionné, sera dévié à travers ce dernier. [13], [1]. On distinguera deux types de filtres assurant la limitation des tensions harmoniques : Le filtre résonant (ou filtre de type shunt) ; Le filtre amorti. 16 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.1.8.1 Filtre résonant Le filtre résonant est constitué d'un condensateur monté en série avec une inductance. Ces éléments sont placés en dérivation sur l'installation et accordés sur un rang d'harmonique à éliminer. L'impédance de cet ensemble est très faible pour sa fréquence d'accord, et se comporte ainsi comme un court circuit pour l'harmonique considéré [1], [13]. Fig. I-6 a. Filtre passif résonant. b. Branchement d’un filtre résonnant. I.4.1.8.2 Filtre amorti Un filtre amorti est composé d'une capacité en série avec un ensemble constitué de la mise en parallèle d'une inductance et d'une résistance appelée résistance d'amortissement. Il est utilisé lorsque les performances demandées ne sont pas trop élevées. On utilise souvent pour filtre simultanément les plus hautes fréquences du spectre et non une fréquence particulière, c'est un filtre passe haut. Fig. I-7 a. Filtre passif amorti. b. branchement d’un filtre passif amorti. 17 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.1.9 Inconvénients des filtres passifs Le filtrage passif est intéressant par le principe mais possède les inconvénients suivants [1]: La variation de l'impédance de la source influe considérablement sur les caractéristiques de filtrages. La résonance parallèle entre le filtre passif et la source produit des amplifications de courants harmoniques du côté de la source à des fréquences spécifiques. Le fonctionnement en parallèle de plusieurs filtres passifs accordés sur un range théoriquement égal, entraîne la circulation de courants harmoniques très importants qui provoquent rapidement leur destruction. La présence d'un filtre harmonique raccordé à un réseau d'un niveau de tension donné nécessite de déconnecter tous les condensateurs raccordés au même réseau sous peine de destruction. I.4.2 Solutions modernes Les inconvénients inhérents aux filtres passifs (non adaptatif aux variations de la charge et du réseau, phénomène de résonance) et l’apparition de nouveaux composants semi-conducteurs, comme les thyristors GTO et les Transistors IGBT, ont conduit à concevoir une nouvelle structure de filtres appelée filtres actifs de puissance [14]. Le but de ces filtres est de générer soit des courants, soit des tensions harmoniques de manière à ce que le courant et la tension du réseau soient rendus sinusoïdaux et parfois avec un facteur de puissance unitaire. Les avantages de ces filtres actifs par rapport aux filtres passifs sont les suivants : le volume physique du filtre est plus réduit. la capacité de filtrage est supérieure. la flexibilité et adaptabilité sont très supérieures. Portant, ils ont aussi quelques inconvénients: leur coût élevé (ce qui a limité leur implantation). Le filtre actif est connecté en série, en parallèle, en combinant ces deux dernières structures ensembles ou associé avec des filtres passifs en fonction des grandeurs électriques harmoniques (courants ou tensions) à compenser. 18 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.2.1 Le filtre actif série (FAS) Le rôle d’un FAS est de modifier localement l’impédance du réseau. Il se comporte comme une source de tension harmonique qui annule les tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique) venant de la source et celles générées par la circulation de courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau. Ainsi, la tension aux bornes de la charge peut être rendue sinusoïdale. Cependant, le FAS ne permet pas de compenser les courants harmoniques consommés par la charge [12]. Fig. I-8 Filtre actif série I.4.2.2 Le filtre actif parallèle (FAP) Le filtre actif connecté en parallèle sur le réseau, comme le montre la Figure (I.9), est le plus souvent commandé comme un générateur de courant [3], [4]. Il injecte dans le réseau des courants perturbateurs égaux à ceux absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Le courant côté réseau est alors sinusoïdal. Ainsi l’objectif du filtre actif parallèle (F.A.P) consiste à empêcher les courants perturbateurs (harmoniques, réactifs et déséquilibrés), produits par des charges polluantes, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du filtre actif. Fig. I-9 Filtre actif parallèle 19 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.2.3 La combinaison parallèle-série actifs Nous remarquons d’après ce qui précède, que ni le filtre actif de puissance parallèle, ni le filtre actif de puissance série ne sont capables de réaliser un filtrage complet, donnant une tension sinusoïdale du côté de la charge et un courant exempt d’harmonique du côté du réseau. Cet objectif peut être atteint en utilisant un filtre actif de puissance mixte composé de deux filtres actifs de puissance comme illustré sur la figure (I.10), l’un connecté en série et l’autre en parallèle avec la charge. Cette structure mixte appelée conditionneur actif de puissance ou (Unifed Power Quality Conditioner) (UPQC), elle permet de réaliser simultanément l’isolation harmonique, tension ou courant, entre la source et la charge et la compensation du creux de tension, flicker et du déséquilibre de tension [3]. Fig. I-10 Combinaison parallèle-série actifs (UPQC) I.4.2.4 Combinaison hybride active-passive Afin de contourner les inconvénients des filtres passifs (résonnances série ou parallèle avec la source et/ou la charge, détérioration des performances du filtre lors de variations de l'impédance du réseau,…) et de réduire le dimensionnement des filtres actifs, une nouvelle topologie de filtre commence à être de plus en plus utilisée, elle consiste en l'association de filtres actifs de faible puissance à des filtres passifs. Dans ce cas, les filtres passifs ont pour rôle d'éliminer les harmoniques prépondérants permettant de réduire le dimensionnement des filtres actifs qui ne compensent que le reste des perturbations [15]. 20 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.2.4.1 Filtre actif série en parallèle avec un Filtre passif parallèle Le schéma de principe de ce système de filtrage est donné par la figure (I.11), il est constitué de filtre passif accordé aux fréquences des harmoniques prédominantes et d'un filtre série. Plusieurs études ont confirmé que les performances des filtres actifs peuvent être améliorées par ce couplage. Cette configuration permet d'une part de minimiser la puissance du filtre actif car une grande partie des courants harmoniques est absorbée par les filtres passifs et d'autre part d'améliorer les performances des filtres passifs. Il réduit ainsi les risques d'antirésonance entre les éléments du filtre passif et l'impédance du réseau [15], [16]. Fig. I-11 Filtre actif série en parallèle avec un filtre passif parallèle I.4.2.4.2 Filtre actif série en série avec un Filtre passif parallèle Le schéma de principe de cette configuration est représenté par la figure (I.12), c'est pratiquement la même configuration que la précédente avec l'avantage de réduire encore le dimensionnement du filtre actif série car le courant qui le traverse est plus faible. De plus, le filtre actif série est à l'abri d'un éventuel court-circuit de la charge [13]. Fig. I-12 Filtre actif série en série avec un filtre passif parallèle 21 Chapitre I Perturbation et dépollution des réseaux électriques I.4.2.4.3 Filtre actif parallèle avec un filtre passif en parallèle Le rôle du filtre actif parallèle dans cette configuration, monté en figure (I.13), est la compensation des courants harmoniques basses fréquences émis par la charge polluante. Le filtre passif accordé sur une fréquence élevée, élimine les harmoniques hautes fréquences y compris ceux créés par le filtre actif parallèle [13], [4]. Fig. I-13 Filtrage actif parallèle avec un filtre passif en parallèle I.5 Conclusion Dans ce chapitre, nous avons présenté différents types de perturbations pouvant affecter la tension du réseau électrique, ces perturbations sont les harmoniques, les déséquilibres se courant et de tension, les creux de tension et les surtensions. Ces perturbations ont des effets néfastes sur les équipements électriques pouvant aller des échauffements et de la dégradation du fonctionnement jusqu'à la destruction totale de ces équipements. L'accent à été mis sur les harmoniques objets de ce travail de recherche, en particulier leurs origines, leurs conséquences, ainsi que les normes internationales fixant les limites à ne pas dépasser. Pour diminuer à ce phénomène, plusieurs solutions traditionnelles et modernes de dépollution ont été présentées, la solution traditionnelle à basse de filtres passifs est souvent pénalisée en termes d'encombrement et de résonance. De plus, les filtres passifs ne peuvent pas s'adapter à l'évolution du réseau et aux charges polluantes. Afin de contourner les problèmes que posent les filtres passifs de nouvelles techniques de filtrage actif sont introduite ces dernières années: les filtres actifs parallèles, séries et leur combinaison. Le prochain chapitre est consacré à l'étude détaillée du filtre actif série en utilisant différentes stratégies de contrôle à base des topologies de convertisseur deux et trois-niveaux (NPC). 22 CHAPITRE II Filtrage actif Série de puissance, principe, stratégie de commande Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.1 Introduction La qualité d’énergie dépend des charges et de leurs sensibilités aux variations de la tension. Les charges étant de plus en plus sophistiquées, les perturbations de tension deviennent très coûteuses pour les industriels en termes de perte de production, de frais de mains d’œuvres, de pertes en matières premières et d’avarie de matériels. Ce chapitre est consacré à une étude détaillée à savoir, la structure, le dimensionnement, la modélisation, les boucles de contrôles et l’analyse des performances d’un filtre actif de puissance à structure tension connecté en série avec le réseau. Ce chapitre est composé de trois parties : La première partie décrit les principaux éléments qui constituent notre système ou structure électrotechnique et leurs caractéristiques. La deuxième partie traite de la modélisation du compensateur et de l’identification des tensions de références. La troisième partie fait l’objet d’une étude comparative de deux structures différentes du filtre actif série à basse d'un convertisseur de tension deux et trois-niveaux (NPC). II.2 Principe de fonctionnement d'un Filtre Actif Série Le filtre actif série est une solution pour protéger des charges sensibles contre les perturbations de tension du réseau électrique. Il s’insère entre le réseau perturbé et la charge à protéger par l’intermédiaire d’un transformateur d’injection de tension. Le schéma du circuit de puissance est donné par la Figure (II.1), Le filtre actif se compose de deux parties distinctes: la partie puissance et la partie commande. La partie puissance est constituée le plus souvent d'un convertisseur de tension triphasé deux ou trois-niveaux (NPC), d’un système d'alimentation en tension continue, d'un filtre de sortie et de transformateurs monophasés d'injection de tension. Pour la partie commande, on a le bloc d’identification ou de calcul des tensions de références, et le contrôle des tensions injectées au réseau [3]. Fig. II-1 Schéma de principe d'un filtre actif série 24 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.1 Partie puissance du filtre actif série Dans cette partie, on va détailler les éléments constitutifs de cette partie de la structure. Nous Commencerons par une étude de l’onduleur deux ou trois-niveaux (NPC) en passant par le filtre de sortie et en terminant par les transformateurs d’injection de tension. II.2.1.1 Onduleur de tension à deux niveaux a.) Structure générale L’onduleur de tension est un convertisseur alimenté par une source de tension continue. Il est mis en œuvre pour réaliser les objectifs de compensation. Nous avons limité notre étude à un onduleur triphasé commandable à la fermeture et à l’ouverture, constitué de trois cellules de commutation comportant chacune une paire d’interrupteurs avec des diodes en antiparallèle [3]. Fig. II-2 Onduleur de tension deux niveaux Le pont onduleur est l’interface entre deux types de sources: source de courant côté alternatif et source de tension côté continu. La structure du filtre actif série ne permet pas la fermeture simultanée des semi conducteurs d’un même bras sous peine de court-circuiter le condensateur de stockage. Par contre, ils peuvent être tous les deux ouverts (pendant un temps mort). La continuité des courants est alors assurée par la mise en conduction d’une des diodes d’un même bras. En théorique, nous commandons les deux semi-conducteurs d’un même bras de façon complémentaire : la conduction de l’un entraîne le blocage de l’autre. En réalité, le mode, où les semi-conducteurs d'un même bras sont tous les deux fermés, n'existe que durant les commutations. Afin d'éviter un court-circuit à cause du délai de blocage des interrupteurs, il faut insérer sur un même bras, un temps d'attente, également appelé temps mort, entre la commande de blocage d'un interrupteur et la commande d'amorçage de l'autre [4]. Avec l'hypothèse des commutations instantanées, ce mode de fonctionnement ne sera pas pris en compte et par conséquent, aucun risque de court-circuiter le condensateur n’est à craindre. 25 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande b.) Tension fournie par l’onduleur L’onduleur de tension deux niveaux délivre, en sortie, deux niveaux de tensions − 𝑉𝑑𝑐 2 et 𝑉𝑑𝑐 2, en fonction des états des interrupteurs comme expliqué dans le tableau (II.1) [17]. 𝑪𝒊 𝑺𝒊 𝑺𝒊 𝑽𝒊𝒐 -1 0 1 −𝑉𝑑𝑐 2 1 1 0 𝑉𝑑𝑐 2 Tableau II-1 Obtention des deux niveaux de tension en fonction des états des interrupteurs. Avec : i : indicateur de phase tel que i = a, b, c. 𝐶𝑖 : est la variable d’état de l’interrupteur prenant comme valeurs -1 ou 1. 𝑉𝑖𝑜 : est la tension prise entre phase et point milieu o. La tension 𝑉𝑖𝑜 est obtenue en appliquant la formule suivante: 𝑉𝑖𝑜 = 𝐶𝑖 ∙ 𝑉𝑑𝑐 2 II. 1 Maintenant, si on considère tous les interrupteurs, toutes les phases (3) et tous les états possibles (2), on obtient 23 combinaisons lesquelles sont présentées dans le tableau (II.2) ou Les tensions entre phases sont données par: 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑜 − 𝑉𝑏𝑜 𝑉𝑏𝑐 = 𝑉𝑏𝑜 − 𝑉𝑐𝑜 𝑉𝑐𝑎 = 𝑉𝑐𝑜 − 𝑉𝑎𝑜 (II.2) N° 𝑪𝒂 𝑪𝒃 𝑪𝒄 𝑺𝒂 𝑺𝒂 𝑺𝒃 𝑺𝒃 𝑺𝒄 𝑺𝒄 𝑽𝒂𝒐 𝑽𝒃𝒐 𝑽𝒄𝒐 1 -1 -1 -1 0 1 0 1 0 1 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 2 -1 -1 1 0 1 0 1 1 0 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 3 -1 1 -1 0 1 1 0 0 1 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 4 -1 1 1 0 1 1 0 1 0 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 5 1 -1 -1 1 0 0 1 0 1 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 6 1 -1 1 1 0 0 1 1 0 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 7 1 1 -1 1 0 1 0 0 1 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 8 1 1 1 1 0 1 0 1 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 Tableau II-2 Obtention des deux niveaux de tension pour toutes les combinaisons possibles. 26 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.1.2 Onduleur de tension à trois niveaux a.) Structure générale La structure générale d’un onduleur de tension trois niveaux à diodes clampées est présentée dans la figure (II.3), L’onduleur triphasé de tension trois niveaux à diodes clampées est constitué de quatre interrupteurs par bras. Ces derniers sont, comme pour le cas précédent deux niveaux, bidirectionnels et entièrement commandable à l’ouverture et à la fermeture. En outre, l’onduleur contient six diodes clampées au point milieu (o) du bus continu [17]. Fig. II-3 Onduleur de tension trois niveaux b.) Tension fournie par l’onduleur L’onduleur de tension trois niveaux délivre, en sortie, trois niveaux de tensions − 𝑉𝑑𝑐 2, 0, et 𝑉𝑑𝑐 2, en fonction des états des interrupteurs comme expliqué dans le tableau (II.3). 𝑪𝒊 𝑺𝒊𝟏 𝑺𝒊𝟐 𝑺𝒊𝟐 𝑺𝒊𝟏 𝑽𝒊𝒐 -1 0 0 1 1 −𝑉𝑑𝑐 2 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 𝑉𝑑𝑐 2 Tableau II-3 Obtention des trois niveaux de tension en fonction des états des interrupteurs. Avec : i indicateur de phase tel que i = a, b, c. 𝐶𝑖 est la variable d’état de l’interrupteur prenant comme valeurs -1, 0, ou 1. 𝑉𝑖𝑜 est la tension prise entre phase et point milieu. 27 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande La tension 𝑉𝑖𝑜 est obtenue en appliquant la formule suivante: 𝑉𝑖𝑜 = 𝐶𝑖 ∙ 𝑉𝑑𝑐 2 II. 3 Avec : 𝑉𝑎𝑛 2 3 𝑉𝑏𝑛 = −1 3 𝑉𝑐𝑛 −1 3 −1 3 2 3 −1 3 −1 3 𝐶𝑎 𝑉 𝑑𝑐 −1 3 ∙ 𝐶𝑏 ∙ 2 2 3 𝐶𝑐 II. 4 Maintenant, si on considère tous les interrupteurs, toutes les phases (3) et tous les états possibles (3), on obtient 33 combinaisons lesquelles sont présentées dans le tableau (II.4) En appliquant les relations (II.2), (II.4) : N° 𝑪𝒂 𝑪𝒃 𝑪𝒄 𝑺𝒂𝟏 𝑺𝒂𝟐 𝑺𝒃𝟏 𝑺𝒃𝟐 𝑺𝒄𝟏 𝑺𝒄𝟐 0 0 0 0 0 0 1 -1 -1 -1 0 0 0 0 0 1 2 -1 -1 0 0 0 0 1 0 0 3 -1 0 -1 0 0 0 1 0 1 4 -1 0 0 0 -1 -1 0 1 0 0 0 0 5 0 -1 0 0 1 0 0 0 1 6 0 0 -1 0 1 0 1 0 0 7 0 0 0 0 1 0 1 0 1 8 0 0 1 0 1 0 1 1 1 9 1 0 0 1 1 1 0 1 10 0 1 1 0 1 1 1 1 1 11 0 0 0 1 1 0 1 0 1 12 1 0 1 1 1 0 1 1 1 13 1 1 0 1 1 1 1 0 1 14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1 1 1 0 0 0 1 16 1 -1 0 0 -1 1 1 0 1 0 0 17 1 1 -1 0 1 1 1 0 0 18 0 0 0 1 1 0 1 19 -1 1 0 0 0 0 1 1 1 20 -1 0 1 0 1 0 0 1 1 21 0 -1 1 1 1 0 0 0 0 22 1 -1 -1 1 -1 1 1 1 1 0 0 23 1 0 0 1 1 0 0 24 -1 1 -1 0 0 1 1 1 1 25 -1 1 1 0 0 0 0 1 1 26 -1 -1 1 1 1 0 0 1 1 27 1 -1 1 𝑽𝒂𝒐 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 0 0 0 0 0 0 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑽𝒃𝒐 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 0 0 − 𝑉𝑑𝑐 2 − 𝑉𝑑𝑐 2 0 0 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 0 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑽𝒄𝒐 −𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 0 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 0 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 −𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 𝑉𝑑𝑐 2 Tableau II-4 Obtention des trois niveaux de tension pour toutes les combinaisons possible. 28 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.1.3 Filtre de sortie Comme il est illustré sur les figure (II.3) et figure (II.4) on ajoute un filtre passe-bas (de type LC) à la sortie de 1' onduleur de tension avec pour but 1'élimination des harmoniques de découpage et l'obtention d'une tension de compensation de meilleure qualité. Ce filtre peut être raccordé de part et d'autre du transformateur de couplage, soit du côté convertisseur ou bien du côté ligne. Nous faisons le choix le plus commun qui est celui de connecter le filtre côté convertisseur de façon à éviter l'injection des harmoniques dans le transformateur de couplage et à atténuer les composantes dues aux commutations de l'onduleur [5]. Fig. II-4 Compensateur série avec filtre passe-bas LC La relation liant la valeur d'inductance et de la capacité à la fréquence de coupure est donnée par: 𝑓𝑐 = 1 2𝜋 𝐿𝑓𝑠 𝐶𝑓𝑠 II. 5 Du point de vue de 1' atténuation des harmoniques de découpage, on pourrait choisir n'importe quelle combinaison de valeurs dont le produit respecte la valeur précédente. Cependant, ce choix a des conséquences importantes sur 1'amplitude de tension de sortie et sur le dimensionnement en puissance de l'onduleur. En effet, du point de vue de la tension de sortie l'intérêt est de choisir une valeur d'inductance la plus réduite possible de façon à limiter au maximum les chutes de tensions produites dans cette dernière. La fréquence fondamentale du système pour un fonctionnement normale est de 50 Hz, le rejet des hautes fréquences peut être obtenu pour une fréquence de résonance de 500 Hz [4]. Si nous fixons la valeur de 𝐿𝑓 à 220 𝜇𝐻, la valeur correspondante du condensateur 𝐶𝑓 est de 80 𝜇𝐹 . Pour diminuer le pic de résonance que le filtre 𝐿𝐶 peut causer, on va additionner une résistance d'amortissement R (sa valeur varie entre 0.1 et 2Ω) en série avec le condensateur [5]. 29 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.1.4 Transformateur d'injection En général, comme il est illustré sur la figure (II.4), on utilise un transformateur de couplage ou d'injection de tension pour raccorder le compensateur actif série au réseau. L'avantage principal de l'utilisation du transformateur est qu'il permet de raccorder les compensateurs à des tensions supérieures, tout en assurant l'isolation galvanique par rapport à la partie haute tension. Également, ils permettent d'injecter en série avec le réseau électrique et avec le taux de transformation souhaité la tension produite par 1' onduleur. Par contre, les désavantages de 1' emploi de ces transformateurs sont leurs coûts élevés et la chute de tension occasionnée par leurs inductances de fuite (Lt .Rt) [5]. Néanmoins, avec le développement des semi-conducteurs et des topologies multi-niveaux des onduleurs de tension, les technologies de raccordement direct au réseau sont en pleine évolution. Le domaine des onduleurs utilisés pour l'amélioration de la qualité n'est pas une exception, et des compensateurs de creux de tension série de connexion directe au réseau qui protège de charges de puissances ont été déjà proposés. Ainsi, il est possible d'économiser les coûts liés au transformateur qui peuvent représenter une partie considérable du coût total du dispositif. En effet, le choix d'un filtre actif série sans transformateur d'injection nécessite l'emploi de trois onduleurs de tension monophasés avec trois sources continues indépendantes. Cette solution augmentant 1' énergie nécessaire pour compenser les mêmes creux de tension. Pour notre cas, trois transformateurs d'injection de tension seront utilisés avec un taux de transformation unitaire. Ces transformateurs doivent être capables à supporter le courant de la charge à protéger et la tension maximale injectée au réseau électrique. II.2.1.4 système de stockage de la tension continue Les creux de tension sont l'une des perturbations les plus rencontrés dans les réseaux électrique, des mesures effectuées indiquent que 92% de tous les événements correspondant à des creux ne dépassent pas 40% à 50% de la tension nominale et que la plupart dure moins de 02 secondes. Les interruptions longues de 02 à 10 minutes sont par contre rares et représentent environ 4% des événements [18]. La capacité de compensation d'un creux est donc limité par son circuit de stockage, différentes système sont envisageables [3] : Une alimentation DC a base d'un pont redresseur à diodes, triphasé ou monophasé, inclus dans la structure, le pont redresseur étant alimenté par le réseau électrique, chaque condensateur aura la valeur crête de la tension simple du réseau. Ce montage prévoit des valeurs élevées de capacités de stockage pour assure, dans le cas d'un réseau perturbé, un 30 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande faible taux d'ondulation aux bornes des condensateurs. Il faut également s'assurer, dans ce cas, du dimensionnement en courant des diodes du pont redresseur, Un système DC indépendant à base des batteries alimentant les condensateurs de stockage d'énergie. Cette solution assure au filtre actif série une durée d'autonomie assez large avec une tension de sortie relativement stable pendant la décharge, Pour les cas des filtres actifs de puissance élevée et de tension continue relativement basse, m'utilisation des super-condensateurs ou des supraconducteurs peut être envisagée [4]. Dans le cas d'une alimentation à base d'un redresseur à diodes triphasé, la chute de tension du condensateur pendant la période de décharge ne doit pas influencer la qualité de compensation du filtre actif série. Cela est possible si la différence entre la tension nominale (Udc-n ) et celle à la fin de la période de décharge (Udc-f) est assez petite. Donc pour pouvoir compenser un creux de tension de profondeur x%, la chute de tension aux bornes de chaque condensateur doit rester inférieure à (1-x%). Cela revient à dire qu'il faut assurer que la tension continue aux bornes du condensateur soit supérieure à la tension de référence (tensions perturbatrices identifiées). Le schéma de principe de la technique utilisant un redresseur à diodecondensateur est donné par la figure (II.5). Pour compenser un creux polyphasé de profondeur x% et de durée t, le compensateur doit fournir l'énergie suivante: ∆𝑊 = 𝑖 ∙ 𝑃 𝑋 ∙ ∙ ∆𝑡 3 100 II. 6 𝑖: Le nombre de phases perturbées. La variation d'énergie dans une capacité de stockage pendant la compensation du creux est égale à: 1 2 𝐶 𝑈2 − 𝑈𝑑𝑐 −𝑖 2 𝑑𝑐 𝑑𝑐 −𝑓 II. 7 𝑈𝑑𝑐 −𝑓 et 𝑈𝑑𝑐 −𝑖 sont respectivement les tension aux bornes de chaque capacité à la fin et au début de période de décharge. 31 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande Fig. II-5 Schéma de principe d'un filtre actif série utilisant un redresseur à diode-condensateur La technique de charge autonome permet de charger directement la capacité via le convertisseur lui-même. Le schéma de principe est représenté sur la figure (II-6). Le fonctionnement du FAS peut être divisé en trois phases selon l'état des interrupteurs du convertisseur de puissance utilisé: Mode repos (redresseur non contrôlé) : les interrupteurs de puissance sont bloqués et le convertisseur fonctionne en mode redresseur non-contrôlé, le condensateur se charge tant que 𝑖𝑐𝑎𝑟𝑔𝑒 ≠ 0 jusqu'à la tension coté continu dépasse la valeur crête de la tension réseau. Lorsqu'un creux de tension est détecté, le mode de compensation est activé automatiquement. Les inconvénients de cette technique sont: Durant la phase de charge autonome du condensateur, aucune compensation n'est possible, La durée de la compensation du creux dépend de l'énergie stockée dans le condensateur, pour un creux de longue durée, cette technique ne donne pas de bon résultats. Fig. II-6 Schéma de principe d'un filtre actif série à mode de charge autonome 32 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.2 Partie commande du filtre actif série Dans ce paragraphe nous présenterons les deux principaux éléments de la partie commande du compensateur actif série : l'identification des tensions perturbatrices ainsi que la commande de 1' onduleur de tension. II.2.2.1 Identification des tensions perturbatrices La méthode d'identification sert à calculer les tensions perturbatrices qui seront injectées ensuite par l'onduleur, en opposition de phase, pour dépolluer la tension aux bornes de la charge à protéger. Plusieurs méthodes d'identification ont déjà été proposées dans la littérature. La plupart des méthodes sont basées sur le calcul des composantes symétriques dans le repère de Park (d, q) [19], [20], [5]. Toutefois, ces méthodes ne sont pas réalisées directement sur l'entrée, mais sur une grandeur transformée qui permet de décaler le fondamental des harmoniques (par exemple à travers de la puissance ou bien sur une projection dans un repère tournant) et cela nécessite une bonne connaissance du réseau électrique en présence d'harmoniques de tension. En général, les différentes méthodes d'identification peuvent être regroupées en deux approches. La première approche est basée sur le calcul des puissances instantanées dans le domaine temporel alors que la deuxième est basée sur 1' emploi des systèmes à base de PLL. II.2.2.1.1 Méthode basée sur le calcul des composantes symétriques Cette méthode est basée sur le calcul des composantes symétrique de la tension du réseau électrique [4]. Les tensions composées d’un réseau électrique en montage triangle sont données par l’équation suivant : 𝑉𝑎𝑏 = 𝑉𝑎𝑏 𝑉𝑏𝑐 𝑉𝑐𝑎 𝑇 (II. 8) Ces tensions peuvent être décomposées en trois séquences positives (𝑉𝑝 ) (appelées directes), négatives (𝑉𝑛 ) (appelées inverse) et homopolaires (𝑉𝑜 ), comme le décrit l’équation (II.9) 𝑉𝑂 1 1 1 𝑉𝑃 = 1 𝑎 3 𝑉𝑁 1 𝑎2 1 𝑎2 𝑎 𝑉𝑎𝑏 𝑉𝑏𝑐 𝑉𝑐𝑎 (II. 9) Avec:𝑎 = 𝑒 𝑗 120 . Considérant que le réseau étudié est composé trois fils, les composantes homopolaires 𝑉𝑂 deviennent nulles. Afin de calculer la composante négative, le premier paramètre de compensation doit être défini. Il s’agit du facteur négatif 𝑈𝑛 , appelé aussi taux inverse, qui est le rapport entre les composantes négative et positive de tension : 𝑈𝑛 = 𝑉𝑛 𝑉𝑝 (II. 10) 33 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande Afin de calculer la composante positive nécessaire pour réguler la tension de la charge à protéger, le deuxième paramètre de compensation doit être défini. Il s’agit du facteur d’amplitude 𝑀𝑝 qui est le rapport entre la composante positive et la tension de référence 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 : 𝑀𝑝 = 𝑉𝑝 (II. 11) 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 Les tensions composées nécessaires pour compenser les tensions négatives sont : 𝑈𝑐 = −𝑉𝑛 . 𝑇𝑛 𝑇𝑛 = 1 𝑎 𝑎 (II. 12) 2 𝑇 En reportant les valeurs de 𝑉𝑛 et 𝑉𝑝 des équations (II. 11) et (II. 12), dans l’expression II. 13 ce qui nous donne : 𝑈𝑐 = − 𝑈𝑛 ∙ 𝑀𝑝 ∙ 𝑇𝑛 (II. 13) Les tensions négatives simples (𝑉𝑛1,2,3 ) peuvent être obtenues par l’équation suivante : 𝑉𝑛1,2,3 = 𝑈𝑐 𝑇𝑛 = −𝑈𝑛 ∙ 𝑀𝑝 ∙ 1−𝛼 1−𝛼 II.14 Les tensions composée nécessaires pour réguler la tension de la charge afin d’obtenir une amplitude 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 (tensions de référence) s’obtiennent par : 𝑀𝑐 = −𝑉𝑝 . 𝑇𝑝 (II. 15) 𝑇𝑝 = 1 𝑎2 𝛼 𝑇 En reportant la relation (II. 11) dans (II. 15), on trouve : 𝑀𝑐 = 1 − 𝑀𝑝 ∙ 𝑇𝑝 (II.16) Les tensions positives simples (𝑉𝑝1,2,3 ) peuvent être obtenues par l’équation suivante : (𝑉𝑝1,2,3 ) = 𝑀𝑝 1 − 𝑀𝑝 = ∙ 𝑇𝑛 1 − 𝑎2 1 − 𝑎2 (II.17) A partir des équations (II.14) et (II.17), on obtient les tensions nécessaires pour réguler et compenser le déséquilibre de tension de la charge à protéger : (𝑉𝑟𝑒𝑓 1,2,3 ) = (𝑉𝑛1,2,3 ) + (𝑉𝑝1,2,3 ) (II. 18) (𝑉𝑟𝑒𝑓 1,2,3 ) = 𝑇𝑝 𝑇𝑝 𝑇𝑛 − 𝑀 ∙ + 𝑈𝑛 𝑝 2 2 1−𝑎 1−𝑎 1 − 𝑎2 Cette méthode permet la compensation des composantes inverse et directe d’une tension déséquilibre, mais ne permet pas la compensation de la composante homopolaire ni les harmoniques [3], [4]. 34 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.2.1.2 Méthode basée sur le calcul des perturbations dans le repère (d-q) Cette méthode utilise la décomposition des tensions perturbations en séquences positive 𝑉𝑝 , négative 𝑉𝑛 , et homopolaire 𝑉𝑜 . En passant par la transformation de Park nous obtenons pour chaque composante symétrique des valeurs constantes 𝑉𝑝 𝑑,𝑞−𝑚𝑒𝑠 , 𝑉𝑛 𝑑,𝑞−𝑚𝑒𝑠 , 𝑉𝑜 . 𝑑,𝑞−𝑚𝑒𝑠 En fixant les composantes désirées dans le repère direct et en quadrature aux grandeurs 𝑉𝑝 𝑑−𝑑𝑒𝑠 , 𝑉𝑝 𝑞−𝑑𝑒𝑠 pour la composante positive, aux grandeurs 𝑉𝑛 composante négative, et aux grandeurs 𝑉0 𝑑−𝑑𝑒𝑠 , 𝑉0 𝑞−𝑑𝑒𝑠 𝑑−𝑑𝑒𝑠 , 𝑉𝑛 𝑞−𝑑𝑒𝑠 pour la pour la composante homopolaire, les tensions de référence dans le repère de Park sont déterminées de la façon suivant[04] : 𝑝 𝑝 𝑝 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑑−𝑚𝑒𝑠 𝑝 𝑝 𝑝 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑞−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑞−𝑚𝑒𝑠 𝑛 𝑛 𝑛 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑑−𝑚𝑒𝑠 𝑛 𝑛 𝑛 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑞−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑞−𝑚𝑒𝑠 II.19 𝑜 𝑜 𝑜 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑑−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑑−𝑚𝑒𝑠 𝑜 𝑜 𝑜 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 = 𝑉𝑞−𝑑𝑒𝑠 − 𝑉𝑞−𝑚𝑒𝑠 Les tensions perturbatrices (tension de référence) triphasée sont ensuite calculées grâce à la transformation suivant : 𝑝 𝑛 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 1 𝐶 ∙ 𝑃 𝜔, 𝑡 ∙ 𝑝 + 𝐶23 ∙ 𝑃 −𝜔, 𝑡 ∙ 𝑛 + 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 𝑉𝑟𝑒𝑓 2 = 23 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 0 0 𝑉𝑟𝑒𝑓 3 + 1 1 1 ∙ cos 𝜔𝑡 ∙ 𝑉𝑑−𝑟𝑒𝑓 + sin 𝜔𝑡 ∙ 𝑉𝑞−𝑟𝑒𝑓 1 0 1 3 − cos 𝜔𝑡 − sin 𝜔𝑡 avec ∶ 𝑃 𝜔, 𝑡 = , 𝐶23 = 2 2 sin 𝜔𝑡 cos 𝜔𝑡 1 3 − − 2 2 II.20 Avec 𝐶23 la transformation de Concordia inverse. Cette méthode se complique en présence des composants harmonique, car il faut applique la transformation de Park direct et inverse pour chaque fréquence et procéder au filtrage des signaux à fréquence autre que celle de la transformation de Park. A cela nous ajoutons le fait que ces méthode ont besoin d’une très bonne connaissance de la tension du réseau et qu’elles pourraient occasionner un surdimensionnement du filtre actif série, s’il n’y avait pas de conservation de l’angle de la composant directe de tension lors régulation de la tension de charge. 35 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.2.2.1.3 Méthodes des puissances active et réactive instantanées (PQ) Deux stratégies peuvent être utilisées pour l'identification des tensions perturbatrices en utilisant la théorie des puissances actives et réactives instantanées. La première approche peut être formulée de la façon suivante [21]: Admettons que la tension source est triphasé symétrique et polluée, nous avons: ∞ 2 𝑈𝑛 sin 𝑛𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 𝑈𝑎 𝑈𝑏 = 𝑈𝑐 𝑛=1 ∞ 2 𝑈𝑛 sin 𝑛𝜔𝑡 − 2𝜋 + 𝜃𝑛 3 2 𝑈𝑛 sin 𝑛𝜔𝑡 + 2𝜋 + 𝜃𝑛 3 𝑛=1 ∞ 𝑛=1 II. 21 𝑈𝑛 et 𝜃𝑛 Sont respectivement la valeur de tension efficace et l'angle de phase initiale, (n) est l'ordre de l'harmonique. Lorsque n=1, nous avons une source de tension triphasé fondamentale: 𝑈𝑎 𝑈𝑏 = 𝑈𝑐 2𝑈1 sin 𝜔𝑡 + 𝜃1 2𝜋 2𝑈1 sin 𝜔𝑡 − + 𝜃1 3 2𝜋 2𝑈1 sin 𝜔𝑡 + + 𝜃1 3 II. 22 La transformation de l'équation (II.22) au repère de référence 𝛼 − 𝛽 donne l'équation (II.23) ∞ 𝑈𝑎 𝑈𝛼 𝑈 𝑈𝛽 = 𝐶32 𝑏 = 3 𝑈𝑐 𝑈𝑛 sin 𝑛 𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 𝑛=1 ∞ II. 23 ∓𝑈𝑛 sin 𝑛 𝜔𝑡 + 𝜃𝑛 𝑛=1 Avec 𝐶32 = 2 3 1 −1 2 −1 2 II. 24 0 3 2 − 3 2 L'image de courant triphasé fondamentale est donné par : 36 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande sin 𝜔𝑡 𝑖𝑎 𝑖𝑏 = 𝑖𝑐 2𝜋 2 sin 𝜔𝑡 − 3 3 2𝜋 sin 𝜔𝑡 + 3 II. 25 La transformation de l'équation (II.25) au repère de référence 𝛼 − 𝛽 est donné par: 𝑖𝑎 𝑖𝛼 sin 𝜔𝑡 𝑖 𝑖𝛽 = 𝐶32 𝑏 = − cos 𝜔𝑡 𝑖𝑐 II. 26 En faisant appel à la théorie des puissances active et réactive instantanées [22] : 𝑢𝛼 𝑝 𝑞 = 𝑢𝛽 𝑢𝛽 −𝑢𝛼 𝑖𝛼 𝑖𝛽 II. 27 Ou les composantes DC et AC sont inclues: 𝑝 𝑝+𝑝 𝑞 = 𝑞+𝑞 II. 28 En faisant passer p et q à travers des filtres passe-bas (FPB), la composante continue est donné par: 𝑝 𝑈 cos 𝜃1 = 3 1 𝑞 𝑈1 sin 𝜃1 II. 29 En utilisant l'équation (II.27), la transformation est réalisée: 𝑢𝛼 𝑝 𝑞 = 𝑢𝛽 𝑢𝛽 −𝑢𝛼 𝑖𝛼 𝑖𝛼 = 𝑖𝛽 −𝑖𝛽 𝑖𝛽 𝑖𝛼 𝑢𝛼 𝑢𝛽 II. 30 Les composantes DC de p et q sont donnés par: 𝑢𝛼𝑓 𝑝 = 𝑢 𝑞 𝛽𝑓 𝑢𝛽𝑓 −𝑢𝛼𝑓 𝑖𝛼 𝑖𝛼 = 𝑖𝛽 −𝑖𝛽 𝑖𝛽 𝑖𝛼 𝑢𝛼𝑓 𝑢𝛽𝑓 Les tensions fondamentales dans le référentiel 𝛼 − 𝛽 sont donné par: 𝑢𝛼𝑓 𝑖𝛼 𝑖𝛽 −1 𝑝 𝑖𝛼 −𝑖𝛽 𝑝 = = −𝑖𝛽 𝑖𝛼 𝑖𝛽 𝑖𝛼 𝑢𝛽𝑓 𝑞 𝑞 II. 31 II. 32 Finalement les tensions fondamentales triphasés sont données par: 37 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande sin 𝜔𝑡 + 𝜃1 𝑈𝑎𝑓 2𝜋 𝑢 𝑈𝑏𝑓 = 𝐶23 𝑢𝛼𝑓 = 2𝑈1 sin 𝜔𝑡 + 𝜃1 − 3 𝛽𝑓 2𝜋 𝑈𝑐𝑓 sin 𝜔𝑡 + 𝜃1 + 3 1 𝐶23 = Avec: 2 − 3 − 0 1 2 1 2 II. 33 3 II. 34 2 − 3 2 Le schéma de principe permettant l'identification des tensions perturbatrices basée sur la méthode des puissances active et réactive est donnée par la figure (II.7) Fig. II-7 Identification des tensions perturbatrices par méthode PQ1 La deuxième approche consiste en la transformation des tension triphasés de charge 𝑈𝑙𝑢 , 𝑈𝑙𝑣 , 𝑈𝑙𝑤 et des courants 𝑖𝑙𝑢 , 𝑖𝑙𝑣 , 𝑖𝑙𝑤 en cordonné biphasé 𝛼 − 𝛽 , deux tensions de phase 𝑢𝛼 , 𝑢𝛽 et deux courants de phase 𝑖𝛼 , 𝑖𝛽 sont respectivement obtenus [23]: 𝑢𝛼 𝑢𝛽 𝑖𝛼 𝑖𝛽 = 𝑈𝑙𝑢 1 1 𝑈𝑙𝑢 2 1 −2 −2 𝑈𝑙𝑣 = 𝐶32 𝑈𝑙𝑣 3 3 3 0 − 2 3 𝑈𝑙𝑤 𝑈𝑙𝑤 II. 35 = 𝑖𝑙𝑢 1 1 𝑖𝑙𝑢 2 1 −2 −2 𝑖𝑙𝑣 = 𝐶32 𝑖𝑙𝑣 3 3 3 0 − 2 3 𝑖𝑙𝑤 𝑖𝑙𝑤 II. 36 Dans le plan 𝛼 − 𝛽 , 𝑢 peut être décomposé en 𝑢𝛼 et 𝑢𝛽 de même que pour 𝑖 , il peut être décomposé en 𝑖𝛼 et 𝑖𝛽 : 𝑢 = 𝑢𝛼 + 𝑢𝛽 II. 37 𝑖 = 𝑖𝛼 + 𝑖𝛽 II. 38 38 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande Assumons que 𝑢𝑝 est la projection de 𝑢 dans la direction de 𝑖 et 𝑢𝑞 et la projection de 𝑢 dans la direction verticale de 𝑖 , 𝑢𝑝 et 𝑢𝑞 sont données par: 𝑢𝑝 sin 𝜔𝑡 𝑢𝑞 = −cos 𝜔𝑡 − cos 𝜔𝑡 − sin 𝜔𝑡 𝑢𝑝 𝑢𝑞 1 1 2 1 −2 −2 3 3 3 0 2 − 2 𝑈𝑙𝑢 𝑈𝑙𝑣 𝑈𝑙𝑤 II. 39 𝑈𝑙𝑢 = 𝐶𝑝𝑞 𝐶32 𝑈𝑙𝑣 II. 40 𝑈𝑙𝑤 Avec: 𝑪𝒑𝒒 : est la transformation matricielle permettant la conversion des tensions de phase 𝑢𝛼 et 𝑢𝛽 en 𝑢𝑝 et 𝑢𝑞 . 𝑼𝒍𝒖 , 𝑼𝒍𝒗 et 𝑼𝒍𝒘 : sont les tensions de phase triphasé. Les composantes respective 𝑢𝑝 et 𝑢𝑞 dans 𝑢𝑝 et 𝑢𝑞 correspondent à la séquence positive active et réactive fondamentale des tensions de phase triphasé. Les composantes fondamentale 𝑈𝑙𝑢𝑓 , 𝑈𝑙𝑣𝑓 et 𝑈𝑙𝑤𝑓 dans la charge peuvent être obtenue par la transformation inverse : 𝑈𝑙𝑢 𝑈𝑙𝑣 = 𝑈𝑙𝑤 1 1 2 − 2 3 1 − 2 0 3 sin 𝜔𝑡 2 3 −cos 𝜔𝑡 − 2 − cos 𝜔𝑡 𝑢𝑝 − sin 𝜔𝑡 𝑢𝑝 𝑈𝑙𝑢 𝑈𝑙𝑣 = 𝐶23 𝐶𝑝𝑞 −1 𝑢𝑞 𝑈𝑙𝑤 𝑢𝑞 II. 41 II. 42 Ou 𝐶𝑝𝑞 −1 est la matrice inverse de 𝐶𝑝𝑞 . Cependant les tensions de compensation peuvent être calculées selon: 𝑈𝑙𝑢𝑓 𝑈𝑙𝑢𝑐 𝑈𝑙𝑢 𝑈𝑙𝑣𝑐 = 𝑈𝑙𝑣 − 𝑈𝑙𝑣𝑓 𝑈𝑙𝑤𝑐 𝑈𝑙𝑤 𝑈𝑙𝑤𝑓 II. 43 39 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande Fig. II-8 Identification des tensions perturbatrices par méthode PQ2 II.2.2.2 La commande de l'onduleur Le but de la commande de l’onduleur est de permettre la meilleure reproduction des courants perturbés de référence, à travers les ordres de commande appliqués aux drivers interrupteurs de puissance. Les deux principales familles de commande des convertisseurs statiques sont : la commande par hystérésis. La commande par modulation de largeur d’impulsion (MLI). II.2.2.2.1 La commande de l’onduleur par hystérésis a- Onduleur deux niveau La commande par hystérésis, appelée aussi commande en tout ou rien, est une commande non linéaire qui utilise l’erreur existant entre la tension de référence et la tension produit par l’onduleur [24]. L’erreur est comparée à un gabarit appelé bande d’hystérésis. Dès que l’erreur atteint la bande inférieure ou supérieure, un ordre de commande est envoyé de manière à rester à l’intérieur de la bande, comme le montre la figure (II.9), est le principal atout de cette technique. En revanche, les commutations évoluant librement à l’intérieur de bande d’hystérésis, on ne peut maîtriser correctement le spectre haut fréquence dû aux fréquences de commutations. Fig. II-9 Principe de la stratégie de commande par hystérésis des onduleurs à deux niveaux 40 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande b- Onduleur trois niveaux Le principe de la stratégie de commande par hystérésis des onduleurs à trois niveaux est schématisé dans la figure (II.10), [25]. Fig. II-10 principe de la stratégie de commande par hystérésis des onduleurs à trois niveaux II.2.2.2.1 La commande de l’onduleur par MLI intersective a- Onduleur deux niveau Afin de générer les impulsions du filtre actif, on a appliqué la technique de la MLI intersective [17] dont le principe est expliqué par le diagramme de la Figure (II.11) et le modèle dans l'annexe Les impulsions sont obtenues par les intersections entre l’onde modulante (représentée par l’erreur de tension Δvsc) et une onde porteuse triangulaire d’une fréquence fs. Fig. II.11 commande d'un onduleur deux niveaux a.MLI intersective b. Principe général 41 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande b- Onduleur trois niveaux On a emprunté le circuit de commande à la référence [17] ayant appliqué deux porteuses en dents de scie décalées l’une par rapport à l’autre d’une demi période de hachage. Avec ces considérations, le circuit de commande est schématisé dans le diagramme de la figure (II.12). Les ordres de commutation seront envoyés comme suit: D’abord, on définit les deux signaux T1 et T2 tels que: - T1 = 1 si Δvsc ≥ Cs1 (porteuse 1) et T1 = 0 dans le cas contraire, - T2 = 0 si Δvsc ≥ Cs2 (porteuse 2) et T2 = -1 dans le cas contraire. Puis, on définit un 3ème signal T3 comme étant la somme vectorielle de T1 et T2. Finalement, les ordres de commutation seront déterminés par les conditions suivantes: - Si T3 = -1, alors Si1 = Si2 = 0, tel que i est l’indicateur de phase (i = a,b,c), - Si T3 = 0, alors Si1 = 0 et Si2 = 1, - Si T3 = 1, alors Si1 = Si2 = 1 Fig. II-12 Principe d’une MLI intersective à deux porteuses appliquée au filtre actif série trois niveaux Fig. II- 13 Modèle de la MLI intersective à deux porteuses appliquée au filtre actif série trois niveaux. 42 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II-3 Simulation du fonctionnement d'un filtre actif série-charge non linéaire inductive L'étude théorique effectuée dans ces chapitres est étayée dans cette partie, sous des conditions réelles et parfois exagérées des réseaux électriques, à travers plusieurs simulations, avec le logiciel Matlab- Simulink-SPS. La figure (II.14) montre l'ensemble de la structure étudiée, est composé d'une source de tension triphasée (trois fils) développée et construite pour simuler tous les type de perturbations en tension , une charge inductive représentée par l'élément RL et connectée au système à travers un redresseur triphasé (pont de Graetz), et enfin le filtre actif série constitué, une partie puissance comprenant le transformateur série, l'onduleur de tension, le filtre de sortie .et une partie commande comprenant le générateur de référence et le contrôleur). Les paramètres des éléments du FAS sont donnés dans le Tableau (II-5). Fig. II-14 Bloc diagramme du filtre actif série Réseau électrique 220 𝑉 , 𝑅𝑠 = 0.1Ω, 𝐿𝑠 = 0.1mH Charges à protéger R= 25Ω, L= 5mH Filtre actif série 𝑉𝑑𝑐 (source de tension continue) 500V 𝐿𝑠𝑓 , 𝑅𝑠𝑓 , (𝐶𝑠𝑓 ) (220 𝜇𝐻, 2Ω), (80𝜇𝐹) Transformateurs d'injection de tension 45 KVA, 1:1 (𝑅𝑡 , 𝐿𝑡 , 𝑅𝑚 , 𝑋𝑚 ) (0.0001pu, 0.0001pu, 500pu, 500pu) Tableau II-5 Valeurs des éléments constituant la structure générale du FAS 43 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.3.1 Filtre actif série à base d'un convertisseur de tension deux niveaux II.3.1.1 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(1) II.3.1.1.1 Commande par contrôleur hystérésis Le schéma du FAS à base d'un convertisseur de tension deux niveaux est donné par la figure (II.15). La stratégie de contrôle adopté pour l'identification des tensions compensatrices est basée sur la méthode PQ(1), on utilise la commande par contrôleur hystérésis pour générer des impulsions d'onduleur. Fig. II-15 Bloc de simulation du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur à hystérésis à base d'un convertisseur de tension deux niveaux II.3.1.1.1.1 Compensation des harmoniques de tension La figure (II-16) montre le cas de la compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé en utilisant la méthode PQ(1) et commandé par contrôleur hystérésis. La première perturbation de tension harmonique est introduite entre t1=0.05sec et t2=0.1sec, la deuxième perturbation est introduite entre t3=0.15 sec et t4=0.2 sec [23]. 𝑉𝑠𝑎 = 311 sin 𝜔𝑡 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 + 311 7 sin (7𝑤𝑡) 𝑉𝑠𝑏 = 311 sin 𝜔𝑡 − 2𝜋 𝑉𝑠𝑐 = 311 sin 𝜔𝑡 + 3 2𝜋 3 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 + 2𝜋 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 − 3 2𝜋 3 + 311 7 sin 7𝑤𝑡 − 2𝜋 + 311 7 sin (7𝑤𝑡 + II. 44 3 2𝜋 3 ) Pour la deuxième perturbation harmoniques, l'expression des trois tensions équilibrées déformées sont donné par: 44 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande 𝑉𝑠𝑎 = 311 sin 𝜔𝑡 + 141 sin 2𝜔𝑡 + 35 sin 4𝑤𝑡 + 14 sin 5𝜔𝑡 𝑉𝑠𝑏 = 311 sin 𝜔𝑡 + 4𝜋 3 +141 sin 2𝜔𝑡 + 2𝜋 3 +35 sin 4𝑤𝑡 + 4𝜋 3 + 14 sin 5𝜔𝑡 + 2𝜋 3 𝑉𝑠𝑐 = 311 sin 𝜔𝑡 + 2𝜋 3 +141 sin 2𝜔𝑡 + 4𝜋 3 +35 sin 4𝑤𝑡 + 2𝜋 3 + 14 sin 5𝜔𝑡 + 4𝜋 3 II. 45 Les résultats de simulations en utilisant la première approche sont représentés par la Figure (II.16) 400 300 Tensions de source 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.2 0.25 Temps (S) (a) Tension de source 200 150 Tension injecté (V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0 0.05 0.1 0.15 Temps (S) (b) Tension injectée 400 Tensions de charge (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Temps (S) (c) Tension de charge Fig. II-16 Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé-Convertisseur de tension deux niveaux-méthode PQ(1) 45 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande THD= 25.02% Mag (% of Fundamental) 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 a) Sans FAS (THDV=25.02) THD= 47.33% 100 Mag (% of Fundamental) 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order b) Sans FAS (THDV=47.33%) Fig. II-17 Spectre harmoniques de la tension de source sans filtre actif série a- harmonique de type (1) b- harmonique de type (2) THD= 3.52% THD= 5.33% 100 100 90 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) 80 60 40 20 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 a) Avec FAS (THDV=3.52%) 18 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order b) Avec FAS (THDV=5.33%) Fig. II-18 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur hystérésis a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) 46 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande Les résultats de simulation obtenus montrent que la méthode PQ(1) permet la détection instantanée des perturbations harmoniques de tension quelque soient leurs types. Le FAS injecte convenablement les tensions de compensation à travers le convertisseur utilisé, le THDV est nettement amélioré, il passe de 25.02% à 3.52% pour le 1er type d'harmonique et de 47.33% à 5.33% pour le 2ème type d'harmonique. II.3.1.1.2 Commande par contrôleur MLI intersective En utilisant cette fois la commande par MLI intersective pour générer des impulsions d'onduleur. Les résultats sont représentés par la figure (II.19). THD= 5.20% 100 90 90 80 80 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) THD= 3.47% 100 70 60 50 40 30 20 10 0 70 60 50 40 30 20 10 0 5 10 Harmonic order 15 20 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order a) Avec FAS (THDV=3.47%) b) Avec FAS (THDV=5.20%) Fig. II-19 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ1. a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) Le tableau (II.6) Résume les résultats de simulation du FAS proposé en présence des deux perturbations harmoniques. Nous constatons que les performances obtenues avec la commande par MLI intersective sont nettement plus meilleurs en matière de réduction de THDV. Méthode de commande Commande hystérésis Commande MLI intersective THD% Harmonique 1 Harmonique 2 Harmonique 1 Harmonique 2 (avant compensation) 25.02% 47.33% 25.02% 47.33% 3.52% 5.33% 3.47% 5.20% THD% (après compensation) Tableau II-6 Performances de compensation des harmoniques de tension en fonction de la méthode de commande d'onduleur 47 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.3.1.2 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(2) En utilisant cette fois la deuxième approche pour l'identification des tensions de compensation, et en utilisant la commande MLI intersective pour générer des impulsions d'onduleur. Le schéma du FAS est donné par la figure (II.20). Fig. II-20 Bloc du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(2) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension deux niveaux Les résultats de simulations en utilisant PQ(2) sont représentés par la figure (II.21). 400 Tension de source (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Temps(S) (a) Tension de source 250 200 Tension injecté (V) 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.2 0.25 Temps (S) (b) Tension injecté 400 Tension de charge(V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps (S) (c) Tension de charge Fig. II-21 Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension deux niveaux –méthode PQ(2) 48 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande THD= 7.17% 100 90 90 80 80 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) THD= 3.44% 100 70 60 50 40 30 20 60 50 40 30 20 10 10 0 70 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order a) Avec FAS (THDV=3.44%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order b) Avec FAS (THDV=7.17%) Fig. II-22 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS deux niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ2. a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) Pour la deuxième méthode d'identification PQ(2), les résultats de simulation obtenus montrent que les tensions de référence sont déterminés instantanément, Le FAS injecte convenablement les tensions de compensation à travers le convertisseur utilisé, le THDV pour le 1er type d'harmonique est amélioré par rapport à la méthode précédente et il passe de 25.02% à 3.44% mais il devient plus important dans le cas du deuxième type d'harmonique et atteint 7.17%. II.3.2 Filtre actif série à base d'un convertisseur de tension trois niveaux II.3.2.1 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(1) Le schéma du FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux (NPC) est donné par la figure (II.23). La stratégie de contrôle adopté pour l'identification des tensions compensatrices est basée sur la méthode PQ(1), en utilisant la commande MLI intersective pour commander le convertisseur. Fig. II-23 Bloc du s FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension trois-niveaux (NPC) 49 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande 400 Tension de source (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.2 0.25 0.2 0.25 Temps (S) (a) Tension de source 250 200 Tension injecté (V) 150 100 50 0 -50 -100 -150 -200 -250 0 0.05 0.1 0.15 Temps (S) (b) Tension injecté 400 Tension de charge (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) (c) Tension de charge Fig. II-24 Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux –méthode PQ(1) THD= 4.50% THD= 2.80% 100 100 90 80 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) 80 60 40 70 60 50 40 30 20 20 10 0 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 a) Avec FAS (THDV=2.80%) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Harmonic order b) Avec FAS (THDV=4.50%) Fig. II-25 Spectre des harmoniques de la tension de la charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ1. a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) 50 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II.3.2.2 Filtre actif série basée sur la méthode PQ(2) Le schéma du FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux (NPC) est donné par la figure (II.26). La stratégie de contrôle adopté pour l'identification des tensions compensatrices est basée sur la méthode PQ(2). Fig. II-26 Bloc du s FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(2) associé à un contrôleur MLI intersective à base d'un convertisseur de tension trois-niveaux (NPC) Les résultats de simulations en utilisant PQ(2) sont représentés par la figure (II.27). 400 Tension de source (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Temps (S) (a) Tension de source 200 150 Tension injecté (V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.2 0.25 Temps(S) (b) Tension injecté 400 Tension de charge (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) (c) Tension de charge Fig. II-27 Compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé par FAS à base d'un convertisseur de tension trois niveaux –méthode PQ(2) 51 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande THD= 6.54% 100 80 80 Mag (% of Fundamental) Mag (% of Fundamental) THD= 2.63% 100 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 60 40 20 0 a) Avec FAS (THDV=2.63%) 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 b) Avec FAS (THDV=6.54%) Fig. II-28 Spectre des harmoniques de tension de charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur à MLI intersective –méthode PQ2. a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) Le tableau (II.7) Résume les résultats de simulation du FAS proposé en présence des deux perturbations harmoniques.. Méthode d'identification Type de convertisseur PQ(1) PQ(2) Harmonique 1 Harmonique 2 Harmonique 1 THD%=25.02% THD%=47.33% THD%= 25.02% Harmonique 2 THD%=47.33% Convertisseur de tension deux niveau 3.47% 5.20% 3.44% 7.17% Convertisseur de tension trois niveau 2.80% 4.50% 2.63% 6.54% Tableau II-7 Performances de compensation des harmoniques de tension en fonction de la méthode D'identification et de la topologie du convertisseur D'après le tableau précédent, nous constatons que les performances obtenus avec la topologie de convertisseur trois-niveau(NPC) basée sur la méthode PQ(1) sont nettement plus meilleurs en matière de réduction de THDV. 52 Chapitre II Filtrage actif série de puissance, principe, stratégie de commande II-4 Conclusion Ce chapitre à été consacré au filtre actif série à structure tension à basse des convertisseurs de tensions deux et trois-niveaux. La stratégie de contrôle permettant la détermination des tensions de référence adoptée est celle des puissances actives et réactives instantanées (PQ), deux approches ont été étudiées. Pour chaque configuration de FAS un modèle de simulation numérique est élaboré en utilisant le logiciel MATLAB-Simulink-SPS. D’après les résultats de simulations obtenues, on remarque que le FAS avec la topologie de convertisseur trois-niveau(NPC) basée sur la méthode PQ(1) et commandé par MLI intersective sont nettement plus meilleurs en matière de réduction de THDV. 53 CHAPITRE III Application de la logique floue au filtre actif Série Trois Niveaux Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.1 Introduction Dans ce chapitre, on présentera un aperçu général sur la théorie de la logique floue et ses principes de base. Ensuite, on montrera comment construire un contrôleur flou. Et nous allons intéresser à l'application d'un contrôleur flou à la commande d'un FAS à basse d'un convertisseur de tension trois- niveau en présence des différents types de perturbation : harmoniques, creux, surtension et déséquilibre. Des résultats de simulation numérique seront aussi présentés sous Matlab-Simulink permettront de valider les développements précédents. III.2 historique de la logique floue Dans le monde universitaire et technologique, le mot «flou» est un terme technique représentant l’ambiguïté ou le caractère vague des intuitions humaines plutôt que la probabilité. Voici un bref historique de la logique floue [26] : En 1965, le concept flou apparut grâce au professeur Loft Zadeh (Université de Berkley en Californie). Il déclara qu'un contrôleur électromécanique doté d’un raisonnement humain serait plus performant qu’un contrôleur classique», et il introduit la théorie des «sous-ensembles flous». En 1973, le professeur Zadeh publie un article (dans l'IEEE Transactions on System, Man and Cybernetics), il y mentionne pour la première fois le terme de variables linguistiques (dont la valeur est un mot et non un nombre). En 1974, Mamdani (Université de Londres) réalise un contrôleur flou expérimental pour commander un moteur à vapeur. En 1980, Smidth (au Danemark), mettent en application la théorie de la logique floue dans le contrôle de fours à ciment. C'est la première mise en œuvre pratique de cette nouvelle théorie. Dans les années 80, plusieurs applications commencent à immerger (notamment au Japon). En 1987, 'explosion du flou' au Japon (avec le contrôle du métro de Sendaï) et qui atteint son apogée en 1990. Aujourd'hui, une vaste gamme de nouveaux produits ont une étiquette «produit flou» (Fuzzy). 55 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.3 Concept de la logique floue L’homme perçoit, raisonne, imagine et décide à partir des modèles ou de représentation. Sa pensée n’est pas binaire. L’idée de la logique floue est de capturer l’imprécision de la pensée humaine et de l’exprimer avec des outils mathématiques appropriés. La résolution d’un problème exige la recherche d’un modèle qui est le plus objectif et le plus certain possible. Les modèles de notre cerveau peuvent être assez compliqués et également vagues, flous ou imprécis. L’homme ne raisonne pas comme l’ordinateur : au tout ou rien [27]. La logique floue inspire ses caractéristiques du raisonnement humain. Elle est basée sur la constatation que la plupart de phénomènes ne peuvent être représentés à l’aide de variables booléennes qui ne peuvent prendre que deux valeurs (0 ou 1). Peut-on considérer un homme de taille 1.7 m grand ou petit ? N’est-il pas ni vraiment grand, ni vraiment petit ? Pour répondre à ce type de question, la logique floue considère la notion d’appartenance d’un objet à un ensemble, non plus comme une fonction booléenne, mais comme une fonction qui peut prendre toutes les valeurs entre 0 et 1. En effet, elle caractérise un homme par un degré de vérification ou un degré d’appartenance à ″homme de grande taille″ compris entre 0 et 1. On peut également définir une fonction ″homme de taille moyenne″, et une fonction ″ homme de petite taille″…etc. Alors, un homme de taille quelconque a trois degrés d’appartenance aux trois catégories ″taille petite ″, ″taille moyenne″, ″taille grande″. Un homme de taille 1.75 m appartient à la catégorie de ″taille grande″ avec un degré de vérification de 50% et à la catégorie de ″taille moyenne″ avec le même degré de vérification. Tandis qu’il appartient à la catégorie de ″taille petite″ avec un degré de vérification de 0%. Cela peut être traduit par la figure suivante. Fig. III-1 Concept floue des différentes catégories de la taille d’un homme. 56 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux Cette représentation montre que le passage d’une catégorie à une autre ne se fait pas brutalement comme dans le cas de la logique classique, mais il se fait progressivement. Mathématiquement, on peut définir ou associer une fonction 𝜇𝐴 𝑥 qui exprime le degré d’appartenance de l’élément 𝑥 à la catégorie 𝐴, où : 𝑥 : est la taille de l’homme ; 𝐴 : est la catégorie ou la classe (petite, moyenne, grande) ; Telle que pour la catégorie (grande) par exemple on a : 𝜇𝐴 𝑥 = 1 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑥 ≥ 1.8 0 𝑝𝑜𝑢𝑟 𝑥 ≤ 1.7 10 𝑥 − 1.7 𝑝𝑜𝑢𝑟 1.7 < 𝑥 < 1.8 De la même manière, on peut définir la fonction 𝜇𝐵 𝑥 , 𝜇𝐶 𝑥 pour les catégories moyenne et petite, respectivement. On appelle 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑥 , 𝜇𝐶 𝑥 fonctions d’appertenance. III.4 Notions de base de la logique floue Cette section n’a pas pour but de donner un état de lieux complet de la logique floue, mais uniquement fourni les quelques notions de base de la logique floue d’une manière abrégée. III.4.1 Ensemble floue Dans la théorie classique des ensembles, c’est la fonction caractéristique qui définit l’ensemble. Cette fonction ne prend que les deux valeurs discrètes 0 (l’élément n’appartient pas ...) ou 1 (...appartient à l’ensemble). Un ensemble flou est défini par une fonction d’appartenance qui peut prendre toutes les valeurs réelles comprises entre 0 et 1. C’est l’élément de base de la logique floue. Il a été introduit en première fois par Zadeh en 1965. Le concept de ce dernier à pour but d’éviter le passage brusque d’une classe à une autre et de permettre des graduations dans l’appartenance d’un élément à une classe ; c'est-à-dire d’autoriser un élément à appartenir plus ou moins fortement à une classe [27]. Les trois catégories ″Petite, Moyenne, Grande″ définies précédemment, associées à leurs fonctions d’appartenance, sont appelées des ensembles flous. Et on peut définir également l’univers de discours ou l’univers de référence comme étant l’ensemble des valeurs réelles que peut prendre la variable floue 𝑥 (la taille de l’homme). Dans un domaine continu les ensembles flous sont définis par leurs fonctions d’appartenance. Tandis que dans le cas discret les ensembles flous sont des valeurs discrètes dans l’intervalle [0 1]. 57 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.4.2 Fonction d'appartenance Un ensemble flou est défini par sa fonction d’appartenance qui correspond à la notion de fonction caractéristique en logique classique, elle permet de mesurer le degré d’appartenance d’un élément à l’ensemble floue. En toute généralité, une fonction d’appartenance d’un ensemble flou est désignée par 𝜇𝐴 𝑥 . L’argument 𝑥 se rapporte à la variable caractérisée, alors que l’indice 𝐴 indique l’ensemble concerné [27]. Les fonctions d’appartenance peuvent avoir différentes formes : Monotones (croissantes ou décroissantes), comme il est montré sur la figure (III.2.a) et (III.2.b) ; Triangulaires (figure (III.2.c)) ; Trapézoïdales (figure (III.2.d)) ; En forme de cloche (Gaussiennes), comme le montre la figure (III.2.e). Généralement, les plus souvent utilisées sont les fonctions de forme trapézoïdale ou triangulaire. a) Exemples de fonctions d’appartenance monotones décroissantes b) Exemples de fonctions d’appartenance monotones croissantes c) Forme triangulaire d) Forme trapézoïdale e) Forme gaussienne Fig. III-2 Différentes formes des fonctions d’appartenance. 58 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.4.3 Variables linguistiques Le concept des variables linguistiques joue un rôle important dans le domaine de la logique floue. Une variable linguistique comme son nom le suggère, est une variable définie à base de mots ou des phrases au lieu des nombres. En effet, la description d’une certaine situation, d’un phénomène ou d’un procédé contient en général des expressions floues comme ″quelque, beaucoup, souvent, chaud, froid, rapide, lent, grand, petit …etc″. Ce genre d’expressions forme ce qu’on appelle des variables linguistiques de la logique floue. On peut représenter une variable linguistique par un triplet (𝑉, 𝑈, 𝑇𝑣), tels que : 𝑉 est une variable numérique (Vitesse, Taille, Température) définie sur un univers de référence, 𝑈 et 𝑇𝑣 est un ensemble de catégories floues de 𝑈, qui sont utilisées pour caractériser 𝑉 à l’aide de fonctions d’appartenance. Considérons la taille d'un homme comme une variable linguistique définie sur un univers de discours 𝑈 = [0, 1.9] m , et son ensemble de catégories floues T Taille= (petite, Moyenne, grande). Ces trois ensembles flous de T Taille peuvent être représentés par des fonctions d’appartenance comme le montre la figure (III.1). III.4.4 Operateurs de la logique floue Une fois les ensembles flous définis, des opérations mathématiques concernant ce type d'ensembles ont été développées. Les opérateurs mathématiques élaborés ressemblent beaucoup à ceux reliés à la théorie des ensembles conventionnels. Les opérateurs de l’intersection, l’union, la complémentation et l’implication sont traduites par les opérateurs ″ 𝐸𝑇, 𝑂𝑈, 𝑁𝑂𝑁 et 𝐴𝐿𝑂𝑅𝑆″ respectivement. Soit 𝐴 et 𝐵 deux ensembles flous, dont les fonctions d’appartenance sont 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 respectivement. Le tableau suivant résume quelques fonctions utilisées pour réaliser les différentes opérations floues de base [28]. Opérateurs flous ET Zadeh (1973) 𝑀𝑖𝑛 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 Lukasiewicz, Giles (1976) 𝑀𝑎𝑥 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑦 − 1,0 Hamacher (1978) OU NON 𝑀𝑎𝑥 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 1 − 𝜇𝐴 𝑥 𝑀𝑎𝑥 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑦 − 1,0 1 − 𝜇𝐴 𝑥 𝜇𝐴 𝑥 ∙ 𝜇𝐵 𝑦 𝜇𝐴 𝑥 ∙ 𝜇𝐵 𝑦 𝛾 + 1 − 𝛾 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑦 − 𝜇𝐴 𝑥 𝜇𝐵 𝑦 𝛾 + 1 − 𝛾 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑦 − 𝜇𝐴 𝑥 𝜇𝐵 𝑦 Bondler et Kohout (1980 𝜇𝐴 𝑥 . 𝜇𝐵 𝑦 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑦 − 𝜇𝐴 𝑥 . 𝜇𝐵 𝑦 1 − 𝜇𝐴 𝑥 Weber 𝜇𝐴 𝑥 𝑠𝑖 𝜇𝐵 𝑦 = 1 𝜇𝐵 𝑦 𝑠𝑖 𝜇𝐴 𝑥 = 1 0 sino 𝜇𝐴 𝑥 𝑠𝑖 𝜇𝐵 𝑦 = 0 𝜇𝐵 𝑦 𝑠𝑖 𝜇𝐴 𝑥 = 0 1 sinon 1 − 𝜇𝐴 𝑥 1 − 𝜇𝐴 𝑥 Tableau III-1 Opérateurs de base de la logique floue. 59 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux D’autre part, l’implication floue se construit à partir des propositions floues élémentaires. Pour cette opération, il existe encore plusieurs méthodes. Les plus souvent utilisées sont données par le tableau suivant. Appellation Zadeh Mamdani Reichenbach Willmott Dienes Brown Godel Lukasiewicz Larsen Implication floue 𝑀𝑎𝑥 𝑀𝑖𝑛 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 , 1 − 𝜇𝐴 𝑥 𝑀𝑖𝑛 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 1 − 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐴 𝑥 ∙ 𝜇𝐵 𝑦 𝑀𝑎𝑥 1 − 𝜇𝐴 𝑥 , 𝑀𝑖𝑛 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑦 𝑀𝑎𝑥 1 − 𝜇𝐴 𝑥 , 𝜇𝐵 𝑥 1 𝑠𝑖 𝜇𝐴 𝑥 ≤ 𝜇𝐵 𝑦 𝜇𝐵 𝑦 𝑠𝑖𝑛𝑜𝑛 𝑀𝑖𝑛 1, 1 − 𝜇𝐴 𝑥 + 𝜇𝐵 𝑥 𝜇𝐴 𝑥 ∙ 𝜇𝐵 𝑦 Tableau III-2 Implication floue. III. 4.5 Règles floues Règle floue est une relation exprimée à l’aide d’une implication entre deux propositions floues. Par exemple, considérons deux variables linguistiques (𝑉1,𝑈,𝑇𝑣1), (𝑉2,𝑈,𝑇𝑣2) et les deux propositions suivantes ″ 𝑉1 est 𝐴″ , ″ 𝑉2 est 𝐵″, où 𝐴 et 𝐵 sont deux ensembles flous de 𝑉1et 𝑉2. On peut définir la règle floue par l’expression ″𝑠𝑖 𝑉1 est 𝐴 𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑉2 est 𝐵″. La proposition ″𝑉1 est 𝐴″ est la condition de l’implication ; La proposition ″𝑉2 est 𝐵″ est la conclusion de l’implication. Généralement, plusieurs règles floues sont nécessaires pour prendre une décision face à une situation donnée. On s’intéresse au cas de plusieurs règles floues dans le domaine de la commande et la régulation. Les règles floues peuvent être décrites de plusieurs façons [27]: Linguistiquement : dans ce cas, on exprime les règles de façon explicite comme dans l’exemple suivant : ″Si l’accélération est faible et la vitesse est faible Alors faire appel à un grand couple″. Symboliquement : il s’agit, dans ce cas, d’une description linguistique où l’on remplace la désignation des ensembles flous par des symboles tels que 𝑃𝐺, 𝑃𝑃,…etc. désignant (𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑓 𝐺𝑟𝑎𝑛𝑑, 𝑃𝑜𝑠𝑖𝑡𝑖𝑓 𝑃𝑒𝑡𝑖𝑡,…etc.). Par matrice d’inférence : dans ce cas, on rassemble toutes les règles qui sont désignées symboliquement dans un tableau appelé ″Matrice d’inférence″. Les entrées du tableau représentent les degrés d’appartenance des variables linguistiques des 60 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux entrées aux différents ensembles flous. Et l’intersection d’une colonne et d’une ligne donne l’ensemble flou de sortie défini par la règle. III.5 Commande par la logique floue La réalisation d’une commande floue ne nécessite pas forcément la connaissance d’un modèle du système tant que celui-ci est inclus implicitement dans les règles fournies par l’expert. La notion d’ensembles flous permet de définir une appartenance graduelle d’un élément à une classe, c.-à-d. appartenir plus ou moins fortement à cette classe. L’appartenance d’un élément à une classe est définie par un degré µ prenant des valeurs entre 0 et 1. La structure d’une commande floue est montrée dans la figure (III.3). Chaque système de commande basé sur la logique floue est composé de quatre blocs principaux [17] : Fig. III-3 Structure d’une commande floue. III.5.1 Base des règles Ce bloc est une base de connaissance qui correspond à l’expertise ou au savoir faire de l’opérateur sur le comportement du système. Elle est composée de l’ensemble des informations et des connaissances dans le domaine d’application et le résultat de commande prévu. Elle permet de déterminer le signal de sortie du contrôleur flou et exprime la relation qui existe entre les variables d’entrées transformées en variables linguistiques et les variables de sortie converties également en variables linguistiques [29]. Ainsi, elle est constituée par une collection de règles données sous la forme « 𝑆𝑖…𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠 ». D’une manière générale, on peut exprimer la 𝑖è𝑚𝑒 règle floue par la relation suivante : Si 𝑥1 est 𝐹1 𝑖 𝑒𝑡 𝑥2 est 𝐹2 𝑖 et … 𝑥𝑛 est 𝐹𝑛 𝑖 𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠 𝑦𝑗 𝑒𝑠𝑡 𝐺𝑙 𝑖 Où: 𝑖 = 1, … , 𝑚 ; 𝑚 est le nombre total des règles; 𝐹1 𝑖 , 𝐹2 𝑖 , … 𝐹𝑛 𝑖 sont les ensembles flous des entrées 𝑥1 , 𝑥2 , … 𝑥𝑛 et 𝐺𝑙 𝑖 est l'ensemble flou correspondant à la sortie 𝑦𝑗 . 61 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux On peut écrire les règles d’inférence sous forme d’une matrice appelée Matrice d’inférence, qui est généralement antisymétrique. A titre d’exemple, si on considère un contrôleur flou à deux entrées caractérisées par trois ensembles flous et une sortie, alors la matrice d’inférence peut prendre la forme suivante : 𝐹11 𝐹12 𝐹13 𝐹21 𝐺1 𝐺4 𝐺7 𝐹22 𝐺2 𝐺5 𝐺8 𝐹23 𝐺3 𝐺6 𝐺9 X2 X1 Tableau III-3 Matrice d’inférence floue. III.5.2 Interface de fuzzification La fuzzification est l’opération de projection des variables physiques réelles sur des ensembles flous caractérisant les valeurs linguistiques prises par ces variables [30]. Le bloc de fuzzification effectue les fonctions suivantes : Définition des fonctions d’appartenance de toutes les variables d’entrées Transformation des grandeurs physiques (réelles ou numériques) à des grandeurs linguistiques ou floues ; Représentation d’échelle transférant la plage des variables d’entrées aux univers de discours correspondants ; Pour les fonctions d’appartenance, on utilise généralement les formes triangulaires et trapézoïdales. III.5.3 Mécanisme d’inférence flou L’inférence floue ou la logique de prise de décision est le cœur de la commande floue qui possède la capacité de simuler les décisions humaines et de déduire (inférer) les actions de commande floue à l'aide de l'implication floue et des règles d'inférence de la logique floue. Elle utilise les variables floues transformées par la fuzzification et les règles d’inférence pour créer et déterminer les variables floues de sortie, en se basant sur des opérations floues appliquées aux fonctions d’appartenance [27]. Comme on l’a mentionné, il existe plusieurs possibilités pour réaliser les opérateurs flous qui s’appliquent aux fonctions d’appartenance. On introduit la notion de mécanisme ou 62 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux méthode d’inférence, qui dépend des relations utilisées pour réaliser les différents opérateurs dans une inférence, permettant ainsi un traitement numérique de cette dernière. Pour le réglage par logique floue, on utilise en général l’une des trois méthodes suivantes : Méthode d’inférence Max-Min (Méthode de Mamdani) ; Méthode d’inférence Max-Produit (Méthode de Larsen) ; Méthode d'inférence Somme-Produit. Le tableau suivant résume la façon utilisée par ces trois méthodes d’inférence pour représenter les trois opérateurs de la logique floue ″ 𝐸𝑡, 𝑂𝑢 et 𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠″. Opérateurs flous Et Ou Alors Max-Min Minimum Maximum Minimum Max-Produit Minimum Maximum Produit Somme-Produit Produit Moyenne Produit Méthodes d’inférence Tableau III-4 Méthodes usuelles de l’inférence floue. III.5.4 Interface de défuzzification La défuzzification est la dernière étape dans la commande floue. Elle consiste à transformer les informations floues établies par le mécanisme d’inférence en une grandeur physique ou numérique pour définir la loi de commande du processus. Plusieurs méthodes ont été élaborées pour faire cette opération. La méthode de défuzzification choisie est souvent liée à la puissance de calcul du système flou [28]. Parmi les plus couramment utilisées, on cite : Méthode de Maximum : cette méthode génère une commande qui représente l’abscisse de la valeur maximale de la fonction d’appartenance résultante issue de l’inférence floue. Cette méthode est simple, rapide et facile, mais présente certains inconvénients lorsqu’il existe plusieurs valeurs pour lesquelles la fonction d’appartenance résultante est maximale et ne tient pas compte de l’effet de toutes les règles ; Méthode de la moyenne des maximums : cette méthode génère une commande qui représente la valeur moyenne de tous les maximums, dans le cas ou il existe plusieurs valeurs pour lesquelles la fonction d’appartenance résultante est maximale; 63 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux Méthode du centre de gravité : cette méthode génère une commande égale à l’abscisse du centre de gravité de la fonction d’appartenance résultante issue de l’inférence floue. Cette abscisse de centre de gravité peut être déterminée à l’aide de la relation générale suivante: 𝑥𝐺 = 𝑥 𝜇𝑟é𝑠 𝑥 𝑑𝑥 𝜇𝑟é𝑠 𝑥 𝑑𝑥 (III. 2) L’intégrale du numérateur donne le moment de la surface, tandis que l’intégrale du dénominateur donne la surface de la fonction d’appartenance 𝜇𝑟é𝑠 𝑥 . Cette méthode est la plus utilisée dans les systèmes de commande floue, (car elle tient compte de toutes les règles et ne présente pas une confusion de prise de décision), malgré sa complexité, puisqu’elle demande des calculs importants. III.6 Conception d’un contrôleur flou La conception d’un contrôleur flou consiste à réaliser le digramme de blocs montré dans la figure (III.4). Les entrées du contrôleur flou sont l’erreur et sa dérivée, tandis que la sortie est la commande elle-même. Le processus peut être un FPB du 1er ordre ou un régulateur PI [17]. Fig. III-4 Conception d’un contrôleur flou. Avec: e: erreur, telle que e = consigne – x, de/dt: variation de l’erreur, de/dt = e(t) – e(t -T), T est une constante. cde: sortie du contrôleur flou, x: sortie du système. 64 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.7 APPLICATION A LA COMMANDE D’UN FILTRE ACTIF SERIE III.7.1 Description générale du modèle filtre actif-contrôleur floue Considérons le système à filtre actif série trois niveaux, où on a adopté la méthode des puissances instantanées globale pour la détermination des tensions harmoniques de référence et la MLI floue à une deux porteuses triangulaire pour la génération des ordres de commutation [30]. Le diagramme de blocs du contrôleur flou considéré est le même que celui de la figure(III.4), tel que la consigne est représentée par la différence entre la tension harmonique de référence et la tension généré par le filtre actif. Le modèle établi sous Matlab-Simulink de ce diagramme est montré dans la figure (III.5). Fig. III-5 Modèle du contrôleur floue établi sous Matlab-Simulink. III.7.2 Construction de la commande floue (MLI floue) III.7.2.1 Fuzzification Cette étape s’occupe de la transformation des valeurs numériques aux entrées en valeurs floues ou variables linguistiques. Les variables d’entrées qui sont l’erreur de tension et sa variation sont soumises à une opération de fuzzification et par conséquent converties à des ensembles flous. L’univers de discours normalisé de chaque variable du régulateur (l’erreur (e), sa variation (de) et la variation de la commande (cde)) est subdivisé en sept ensembles flous. Ceux-ci sont caractérisés par les désignations standards suivantes : • Négative large noté NL • Négative Moyen noté NM • Négative Petit noté NP • Zéro noté ZE • Positive Petit noté PS • Positive Moyen noté PM • Positive Large noté PL 65 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux Pour les fonctions d’appartenance, on a choisi pour chaque variable les formes triangulaires et trapézoïdales comme le montre la figure III-6 [21]: (a) (b) (c) Fig. III-6 Partitions floues. a) Partition floue de e b) Partition floue de de. c) Partition floue de cde. III.7.2.2 Base des règles La base des règles représente la stratégie de commande et le but désiré par le biais des règles de commande linguistiques. Elle permet de déterminer la décision ou l’action à la sortie du contrôleur flou et exprimer qualitativement la relation qui existe entre les variables d’entrées et la variable de sortie. A partir de l’étude du comportement du système, nous pouvons établir les règles de commande, qui relient la sortie avec les entrées. Comme nous l’avons mentionné, chacune des deux entrées linguistiques du contrôleur flou possède sept ensembles flous, ce qui donne un ensemble de quarante neuf règles. Celles-ci peuvent être représentées par la matrice d’inférence (tableau III-5) [21] : 66 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux e de/dt NL NM NS ZE PS PM PL Règle 49: NL NM NS ZE PS PM PL NL NL NM NM NS NS EZ NL NM NM NS NS EZ PS NM NM NS NS EZ PS PS NM NS NS EZ PS PS PM NS NS EZ PS PS PM PM NS EZ PS PS PM PM PL EZ PS PS PM PM PL PL Si (e) est PL et (de) est PL Alors (cde) est PL Tableau III-5 Matrice d’inférence des règles floues. III.7.2.3 Mécanisme d’inférence A partir de la base des règles et les sous ensembles flous correspondant à la fuzzification, le mécanisme d’inférence floue permet la détermination des variables floues de sortie. En effet, la traduction des opérateurs ″𝐸𝑡″, ″𝑂𝑢″ et ″𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠″ par des fonctions et la combinaison de ces différentes fonctions donnent la sortie floue du contrôleur. Comme on l’a mentionné précédemment, plusieurs méthodes d’inférence ont été élaborées pour réaliser les opérateurs flous. Dans notre travail, on a adopté la méthode d’inférence de Mamdani ″Max-Min″. Dans cette méthode l’opérateur ″𝐸𝑡″ est représenté par la fonction Minimum, l’opérateur ″𝑂𝑢″ par la fonction Maximum et pour la conclusion, l’opérateur ″𝐴𝑙𝑜𝑟𝑠″ est représenté par la fonction Minimum. III.7.2.4 Défuzzification Lorsque la sortie floue est calculée, il faut la transformer en une valeur numérique. Il existe plusieurs méthodes pour réaliser cette transformation. La plus utilisée est la méthode du centre de gravité, qu’on a adoptée dans notre travail. 67 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.8 Résultats de simulation sous Matlab-Simulink Dans cette partie, nous allons intéresser à l'application d'un contrôleur flou à la commande d'un FAS utilisant la méthode d'identification PQ1 amélioré dans le cas d'un convertisseur de tension trois- niveau en présence des différents types de perturbation : harmoniques, creux, surtension et déséquilibre. Le schéma bloc d'un filtre actif série utilisant la stratégie de contrôle PQ (1) associé à un contrôleur flou à basse d'un convertisseur de tension trois niveaux est représenté par la figure (III.7). Fig. III-7 Bloc du FAS utilisant une stratégie de contrôle PQ(1) associé à un contrôleur flou à basse d'un convertisseur de tension trois niveaux III.8.1 Compensation des harmoniques de tension Les figures (III-8-9) montre le cas de la compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé. La première perturbation de tension harmonique est introduite entre t1=0.1sec et t2=0.16sec, la deuxième perturbation est introduite entre t3=0.2 sec et t4=0.26sec. 𝑉𝑠𝑎 = 311 sin 𝜔𝑡 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 + 311 7 sin (7𝑤𝑡) 𝑉𝑠𝑏 = 311 sin 𝜔𝑡 − 2𝜋 3 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 + 2𝜋 3 + 311 7 sin 7𝑤𝑡 − 2𝜋 3 𝑉𝑠𝑐 = 311 sin 𝜔𝑡 + 2𝜋 3 + 311 5 sin 5𝜔𝑡 − 2𝜋 3 + 311 7 sin (7𝑤𝑡 + 2𝜋 ) 3 III. 3 68 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux Pour la deuxième perturbation harmoniques, l'expression des trois tensions équilibrées déformées sont donné par: 𝑉𝑠𝑎 = 311 sin 𝜔𝑡 + 141 sin 2𝜔𝑡 + 35 sin 4𝑤𝑡 + 14 sin 5𝜔𝑡 𝑉𝑠𝑏 = 311 sin 𝜔𝑡 + 4𝜋 3 +141 sin 2𝜔𝑡 + 2𝜋 3 +35 sin 4𝑤𝑡 + 4𝜋 3 + 14 sin 5𝜔𝑡 + 2𝜋 3 𝑉𝑠𝑐 = 311 sin 𝜔𝑡 + 2𝜋 3 +141 sin 2𝜔𝑡 + 4𝜋 3 +35 sin 4𝑤𝑡 + 2𝜋 3 + 14 sin 5𝜔𝑡 + 4𝜋 3 III. 4 400 300 Tension de source (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps(S) (a)Tensions de source 200 150 Tensions injecté (V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps (S) (b) Tensions injecté 400 300 Tension de charge(V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps (S) (c) Tensions appliquées à la charge Fig. III-8 Analyse temporelle de la compensation d'un réseau triphasé équilibré et déformé en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux 69 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux THD= 1.83% 100 Mag (% of Fundamental) 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 a) Avec FAS (THDV=1.83%) THD= 3.43% Mag (% of Fundamental) 100 80 60 40 20 0 0 2 4 6 8 10 12 Harmonic order 14 16 18 20 b) Avec FAS (THDV=3.43%) Fig. III-9 Spectre des harmoniques de la tension de la charge avec FAS à trois niveaux commandé par contrôleur floue. a- Harmonique de type (1) b- Harmonique de type (2) Les résultats de simulation obtenus dans le cas d'un FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveaux montrent que le contrôleur flou proposé permet une compensation plus meilleure des harmoniques de tension comparé au système à base du contrôleur conventionnelle. Le THDV de la tension passe de 25.02% à 1.83% en première type d'harmonique, et passe de 47.33% à 3.43% en deuxième type d'harmonique. Le tableau (III-6) résume les performances de FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveau. Harmoniques Type(1): THDV=25.02% Type(2): THDV=47.33% Contrôleur à MLI intersective THDV=2.80% THDV= 4.50% Contrôleur flou THDV= 1.83% THDV= 3.43% Tableau III-6 Performance de compensation des harmoniques de tension d'un FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveaux et contrôleur floue 70 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.8.2 Compensation d'un déséquilibre de tension Dans ce cas, les trois phases de tensions de sources sont déséquilibrées, leurs expressions sont données par l'équation (III.5) [21]. 𝑣𝑠𝑎 = 311 sin 𝜔𝑡 + 31 sin 𝜔𝑡 4𝜋 2𝜋 + 31 sin 𝜔𝑡 + (III.5) 3 3 2𝜋 4𝜋 𝑣𝑠𝑐 = 311 sin 𝜔𝑡 + + 31 sin 𝜔𝑡 + 3 3 La Figure (III.10) représente dans le premier graphe: la tension source de la phase 𝑣𝑠𝑏 = 311 sin 𝜔𝑡 + déséquilibrée, dans le deuxième graphe : la tension injectée par le compensateur. Et dans le troisième graphe: la tension du réseau après compensation. On peut constater qu'après un cycle de période du début de déséquilibre, notre compensateur est mis en marche et que la tension de source est devenue pratiquement équilibrée. 400 300 Tension de source (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 0.25 0.3 0.2 0.25 0.3 0.2 0.25 0.3 (a) Tensions de source 100 80 Tensions injecté (V) 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 -100 0 0.05 0.1 0.15 Temps(s) (b) Tensions injecté 400 300 Tension de charge (V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temp(S) (c) Tensions appliquées à la charge Fig. III-10 Analyse temporelle de la compensation d'un déséquilibre de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur floue 71 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.8.3 Compensation d'un creux de tension Dans cette partie de simulation, on va analyser la robustesse en termes de rapidité et de précision du FAS contre un creux de tension (25% de la tension nominale). Introduit volontairement entre l'instant t1= 0.1 sec et t2= 0.2 sec. L'expression de creux de tension donnés par l'équation (III.6). 𝑣𝑠𝑎 = 200 sin 𝜔𝑡 4𝜋 (III.6) 3 2𝜋 𝑣𝑠𝑐 = 200 sin 𝜔𝑡 + 3 Comme il est illustré sur la Figure (III-11), on remarque bien qu'à l'instant t=0.1sec 𝑣𝑠𝑏 = 200 sin 𝜔𝑡 + l'amplitude de la tension de source est réduite de 25% par rapport à la tension fondamentale alors que la tension de charge est gardée toujours protéger à la même valeur désirée. Ceci est grâce au FAS qui injecte à travers le transformateur série la tension manquante ou compensatrice. 400 300 Tension de source(V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 0.25 0.3 0.25 0.3 0.25 0.3 (a) Tensions de source 200 150 Tension injecté(V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 (b) Tensions injecté 400 300 Tension de charge(V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 (c) Tensions appliquées à la charge Fig. III-11 Analyse temporelle de la compensation d'un creux de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur floue 72 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.8.4 Compensation d'une surtension Dans ce cas, on va analyser la robustesse de FAS contre une surtension (30% de la tension nominale). Introduit volontairement entre l'instant t1= 0.1 sec et t2= 0.2 sec. L'expression de surtension donnée par l'équation (III.7). 𝑣𝑠𝑎 = 400 sin 𝜔𝑡 4𝜋 (III.7) 3 2𝜋 𝑣𝑠𝑐 = 400 sin 𝜔𝑡 + 3 En analysant la Figure (III-12), nous déduisons que dès l'instant t=0.1sec notre 𝑣𝑠𝑏 = 400 sin 𝜔𝑡 + compensateur actif (FAS) commence à compenser et corriger parfaitement les surtensions, en injectant à travers le transformateur série des tensions compensatrices qui sont bien synchronisées et en opposition de phase avec la tension de source. 500 400 Tension de source (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 0.25 0.3 (a) Tensions de source 200 150 Tensioninjecté (V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 0.25 0.3 (b) Tensions injecté 400 300 Tension de charge(V) 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 Temps(S) 0.2 0.25 0.3 (c) Tensions appliquées à la charge Fig. III-12 Analyse temporelle de la compensation d'une surtension de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur floue 73 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux III.8.5 Compensation de toutes les perturbations Dans cette dernière partie de simulation, nous allons introduire à des instants biens précis toutes les perturbations en tension présentées précédemment. Ces dernières seront appliquées selon le 'timing' et les caractéristiques indiquées dans le Tableau(III.7). Temps (s) Type de perturbation appliquée Caractéristiques de la perturbation 0.04 à 0.15 sec Creux de tension -30% de la tension fondamentale 0.09 à 0.15 sec Harmonique Harmonique d'ordres 3 et 5 0.15 à 0.20 sec Surtension +30% de la tension fondamentale 0.20 à 0.26 sec Harmonique Harmonique de type (2) 0.26 à 0.32sec Déséquilibre Déséquilibre monophasé Tableau III-7 Caractéristiques des perturbations appliquées 500 400 Tensions de source(V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 -500 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps(S) (a) Tensions de source 200 150 Tensions injecté (V) 100 50 0 -50 -100 -150 -200 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps(S) (b) Tensions injecté 400 Tensions de charge (V) 300 200 100 0 -100 -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 Temps(S) (c) Tensions appliquées à la charge Fig. III-13 Analyse temporelle de la Compensation des touts les perturbations de tension en utilisant un convertisseur de tension trois-niveaux-contrôleur floue 74 Chapitre III Application de la logique floue au filtre actif série trois niveaux Également, pour renforcer et diversifier notre test nous avons appliqué simultanément, durant l'instant 0.09s à 0.15s, deux types de perturbation soient les creux et les harmoniques de tension. L'objectif de cette partie du test est de s'assurer du bon fonctionnement du FAS lorsque la source d'alimentation est polluée par plusieurs perturbations en tension. En résumé, d'après les résultats de simulations illustrés sur les Figures (III-13) nous affirmons que le FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveaux –contrôleur floue est un bon élément de protection contre toutes les perturbations en tension qu'elles soient : creux, harmoniques, surtension, déséquilibre. III.9 Conclusion Ce chapitre à été consacré à l’application de la logique floue au filtrage actif série, on a d’abord introduit le concept de commande floue puis décrit chacune de ses quatre composantes: base des règles et définitions, interface de fuzzification, mécanisme d’inférence et interface de défuzzification. Ensuite, on est passé au procédé de conception d’un contrôleur floue, cas où le système est défini par deux entrées, l’erreur et sa dérivée, et une seule sortie constituant la commande elle-même. Après quoi, on a conçu un contrôleur flou destiné à la commande de filtre actif série à basse d'un convertisseur de tension trois-niveau. Les résultats de simulation sous Matlab-Simulink montrent que le contrôleur flou proposé permet une compensation plus meilleure des harmoniques de tension comparé au système à base du contrôleur conventionnelle (Tableau. III-6). En fin, nous avons présenté le résultat individuel de simulation pour chaque type de perturbation (creux de tension, surtension, harmoniques, et déséquilibre). Ensuite, toutes ces perturbations sont simulées et testées dans un seul bloc. Toutefois, à partir des résultats obtenus nous affirmons que le FAS à basse d'un convertisseur de tension trois-niveaux – contrôleur flou est un bon élément de protection contre toutes les perturbations en tension. 75 CONCLUSION GÉNÉRALE Conclusion générale CONCLUSION GENERALE Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de la conversion et du conditionnement de l'énergie électrique. Plus particulièrement, dans la recherche de nouveaux convertisseurs de puissance permettant le filtrage actif de puissance dans le réseau électrique. A partir de la recherche bibliographique, nous avons constaté que les recherches sur les filtres actifs sont bien répandues dans le monde, non seulement pour la compensation des harmoniques, mais également pour l'élimination des différents types de perturbations pouvant affecter le réseau. Le travail présenté dans ce mémoire apporte une contribution aux stratégies d'identification et de régulation permettant d'améliorer les performances du filtre actif série à trois niveaux d’un réseau triphasé .L’objectif de ce filtre, qui se compose essentiellement d’une partie puissance et d’une partie commande-contrôle est de compenser les perturbations de tension. Le premier chapitre a été consacré à la problématique de recherche dont nous avons citées, d’une manière générale, les solutions traditionnelles et modernes utilisées dans le filtrage : passif, actif et hybride. L'utilisation croissante des dispositifs d'électronique de puissance dans les systèmes électriques ne fait qu'accentuer la dégradation de la qualité de l'onde du courant et de la tension. En outre, les origines et les effets néfastes de ces dégradations ont été abordés ainsi que les normes en vigueur ont été citées. Ces normes notamment imposées aux distributeurs de l'énergie, autorisent cependant la génération des harmoniques dans une certaine limite. En outre, ces normes motivent les utilisateurs industriels de l'énergie électrique à faire des recherches et à développer des méthodes efficaces pour dépolluer les réseaux électriques. A le deuxième chapitre dans le cas du filtre actif série; La stratégie de contrôle permettant la détermination des tensions de référence adoptée est celle des puissances active et réactive instantanée (PQ) , deux approches ont été étudiées. Pour chaque configuration de FAS un modèle de simulation numérique est élaboré en utilisant le logiciel MATLABSimulink. En utilisant des schémas de commande conventionnelle. Les résultats de simulation obtenir montrent l'efficacité de la stratégie de contrôle (PQ) quelques soit l'approche utilisée dans l'identification des tensions compensatrices.la topologie trois niveaux permet d'obtenir des résultats plus meilleure en matière de réduction du THDV en comparaison avec celle à deux niveaux. 77 Conclusion générale Dans le dernier chapitre, et comme on a clôturé l’état de l’art par mentionner la flexibilité des filtres actifs d’une part aux techniques intelligentes, notamment la logique floue, on a défini les composantes d’une commande floue (base de règles et définitions, interface de fuzzification, mécanisme d’inférence et interface de défuzzification), on a montré le procédé de conception d’un contrôleur flou, et on a conçu notre propre correcteur flou dédié au contrôle des tensions d’un filtre actif série. D’après les résultats de simulations obtenues, on peut mettre en évidence les propriétés essentielles suivantes : Les algorithmes basés sur la technique de la logique floue sont relativement compliqués de point de vue structure et de mise en œuvre, en les comparons aux algorithmes utilisant le réglage conventionnel. Le choix des gains d'entrée et de sortie du contrôleur à logique floue a été subjectif et difficile à optimiser. On doit aussi prêter attention à certaines notions, telles que la répartition des fonctions d’appartenances, leur nombre, la définition et la conception de la table des règles. Les résultats obtenus montrent l'efficacité de FAS contre les perturbations des tensions et montrent que l’augmentation du nombre de niveaux n’a pas une grande influence sur la qualité du filtrage des tensions. Tandis que, les applications de la logique floue ont améliorés les performances des filtres actifs en réduisant la distorsion harmonique, Comme perspectives : Utilisation des onduleurs de tension avec des niveaux élevés (cinq et sept niveaux), pour améliorer les performances spectrales des grandeurs de sortie et augmenter sa puissance. Utilisation des sources d'énergie à base de redresseur alimenté à partir de la source de tension et associé à un contrôleur dont le rôle est de réguler tension continue. Travailler sur les combinaisons parallèle-série (Unified Power Quality Conditionner UPQC) vu les nombreux avantages qu'elles offrent, notamment le filtrage des harmoniques de tension et de courant. Etude du filtrage actif avec un onduleur à quatre fils pour les charges non équilibrés Utilisation des autres intelligences artificielles (neurones, algorithmes génétiques…etc.), pour la commande de l'onduleur. 78 RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES Références bibliographies Références bibliographies [1] L.ZALOUMA, ‘‘Contribution à l’étude du filtrage des harmoniques des réseaux de distribution à l’aide du filtre actif’’, Thèse de doctorat, Université Badji Mokhtar, 2010, Annaba. [2] F. HAMOUDI ″ Commande Robuste d'un Filtre Actif Shunt à Quatre Fils″ Magistère, Université EL Hadj Lakhder, Batna 2008. [3] F. MEKRI ″ Commande robuste des conditionneurs actifs de puissances ″ doctorat, Université des sciences et de la technologie d'Oran,2007. Mémoire de Thèse de [4] M. A. E. ALALI, « Contribution à l'étude des compensateurs actifs des réseaux électriques basse tension ». Thèse de doctorat de l'université Louis Pasteur Strasbourg I, France, (2002). [5] H. 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Journal of Acta electotehnica: Volume 52 / Nov 2, 2011. 81 ANNEXE Annexe ANNEXE BLOCS DE SUMILATION SUR (Sim-Power) MATLAB-SUMILINK I- Commande d'onduleur par MLI intersective a- Cas d'onduleur deux niveaux Fig. A-1 Modèle de la MLI intersective appliquée au filtre actif série deux niveaux. b- Cas d'onduleur trois niveaux Fig. A-2 Modèle de la MLI intersective à deux porteuses appliquée au filtre actif série trois niveaux. 83 Annexe II- Commande d'onduleur par MLI floue a- Cas d'onduleur trois niveau Fig. A-3 Modèle du contrôleur floue de filtre trois niveaux établi sous Matlab-Simulink.MLI 84
