Département Science des Technologies Industrielles Filière Génie électrique et énergétique Deuxième année Cycle d’ingénieur RAPPORT DU PROJET DE FIN D’ANNEE OBSERVATION ET COMMANDE D’UN FILTRE ACTIF DE PUISSANCE CONNECTE A DES PANNEAUX PHOTOVOLTAÏQUES Réalisé par Encadré par : ADJAHO Afi Laure Pr. ABOUELMAHJOUB Younes AMAYA NA-IMATOU TCHINTCHANE Yéname Année Universitaire :2022-2023 1 Remerciements Au terme de notre projet, il nous paraît indispensable de remercier le Dieu tout Puissant pour son assistance ainsi que toutes les personnes qui ont œuvré pour la bonne marche de notre projet. En l’occurrence Professeur ABOUELMAHJOUB Younes qui nous a fait l'honneur d'être notre encadrant, qui tout au long du projet n'a pas hésité à nous apporter son aide, ses conseils ainsi que diverses orientations sur le sujet. Nos remerciements vont également à nos professeurs pour tous les efforts qu'ils fournissent pour nous dispenser les cours tout en nous partageant leurs expériences enrichissantes sur le terrain. Nos gratitudes sont adressées à Mr AZIM Azzedine le Directeur de l'ENSAJ et Mr El JOUAD le chef de département de la filière Génie électrique et Énergétique pour cette belle initiative et aussi pour le bon déroulement des Projets de fin d'année. le chef de département c'est Mr Kandoussi 2 page vide !!!!! 3 Table de références Notations Vpv1 Vs0 rs Ls Vs if is iL rf Lf Vpv2 ipv1 ipv2 Va Vd A B C G x y Définitions Tension du panneau Tension du réseau Résistance du réseau électrique Inductance du réseau électrique Tension de sortie Courant du filtre de couplage Courant du réseau électrique Courant absorbé par la charge non linéaire Résistance du filtre de couplage Inductance du filtre de couplage Tension du panneau2 Courant du panneau1 Courant du panneau 2 Somme de Vpv1 et Vpv2 Différence entre Vpv1 et Vpv2 Matrice d'état de dimension (3,3) Matrice de commande de dimension (3,1) Matrice d'observation de dimension (1,3) Matrice gain de l'observateur Vecteur d'état de dimension (3,1) Vecteur de sortie de dimension p (p sorties) 4 Table des matières INTRODUCTION GENERALE.......................................................................................................... 9 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES PERTURBATIONS DANS LE RESEAU ET SOLUTIONS DE DEPOLLUTION ...................................................................................................... 11 Introduction ........................................................................................................................................... 12 I-Etude des caractéristiques d’un réseau due à une charge non linéaire ....................................... 12 a. Caractéristique de la tension sinusoïdale d’un réseau non pollué ............................................. 12 b. Généralités sur les charges non linéaires ................................................................................... 13 c. Charge non -linéaire sur le réseau : Apparitions des harmoniques et inter-harmoniques.......... 14 d. Effets de l’apparition des harmoniques ..................................................................................... 16 5. Caractérisation des perturbations harmoniques ............................................................................. 16 a. Taux de distorsion harmonique ............................................................................................. 16 b. Taux de distorsion harmonique global................................................................................... 17 c. Facteur de puissance.............................................................................................................. 17 6. Normes concernant les perturbations harmoniques ....................................................................... 18 II-SOLUTIONS DE DEPOLLUTIONS ............................................................................................ 21 A-Les méthodes traditionnelles ...................................................................................................... 21 1. Renforcement de la puissance de court -circuit ..................................................................... 21 2. Ajout d’une inductance de lissage du courant ....................................................................... 21 3. Filtrage passif ........................................................................................................................ 21 B-Solutions modernes...................................................................................................................... 22 1. Filtre actif parallèle ............................................................................................................... 22 2. La combinaison parallèle – série actifs ................................................................................. 22 3. Filtre actif série...................................................................................................................... 23 Conclusion ............................................................................................................................................ 24 CHAPITRE II : PRESENTATION GENERALE DU SYSTEME ......................................................................... 25 Introduction ......................................................................................................................................... 26 I.FILTRE ACTIF DE PUISSANCE ................................................................................................... 26 1. Filtre actif de puissance ............................................................................................................. 26 2. Filtre actif parallèle (shunt) ....................................................................................................... 27 II-LES ONDULEURS ......................................................................................................................... 28 1. Définition .................................................................................................................................. 28 2. Principe de fonctionnement ....................................................................................................... 28 3- Onduleur en demi- pont ................................................................................................................ 29 II-les Panneaux photovoltaïques ........................................................................................................ 29 1-Généralités sur les panneaux photovoltaïques ............................................................................... 29 5 1.1 Définition................................................................................................................................. 29 1.2 Les constituants d’un PV ................................................................................................... 30 1.3 Principe de fonctionnement d’un PV ...................................................................................... 31 1.4 Avantages et inconvénients des PV ......................................................................................... 32 CHAPITRE III : MODELISATION DU SYSTEME ............................................................................ 33 I-Modélisation du réseau .................................................................................................................... 34 1- Modélisation schématique du réseau ......................................................................................... 34 2- Modélisation mathématique ...................................................................................................... 34 II- Modélisation du FAP ..................................................................................................................... 34 1. Topologie et schématisation du FAP ......................................................................................... 35 2. Modélisation mathématique ...................................................................................................... 36 III-Modélisation du système ............................................................................................................... 37 1. Topologie complète du système ................................................................................................ 37 2. Modélisation complète du système ........................................................................................... 38 CHAPITRE IV : SYNTHESE DE L’OBSERVATEUR ........................................................................ 40 Introduction ......................................................................................................................................... 41 I-Généralités sur les observateurs ...................................................................................................... 41 II-Représentation d’état du système à observer ............................................................................... 41 III-Etude de l’observabilité du système............................................................................................. 43 1- Critère de Kalman ..................................................................................................................... 43 2- Application de critère de Kalman à notre système .................................................................... 44 IV-Principe de fonctionnement de l’observateur.............................................................................. 46 1- Principe de fonctionnement ....................................................................................................... 46 2- Commande par observateur d’état ............................................................................................. 47 3- Etude du Gain de l’observateur ................................................................................................. 47 3 .1- Résumé du critère de Routh-Hurwitz .................................................................................... 47 3.2-Application à notre système .................................................................................................... 48 4-Convergence de l’observateur ........................................................................................................ 50 Conclusion ............................................................................................................................................ 50 CHAPITRE V : SYNTHESE DES REGULATEURS .......................................................................... 51 Introduction ....................................................................................................................................... 52 I-Objectif de la commande ................................................................................................................ 52 II-Commande de l’Onduleur de tension ............................................................................................ 52 1-Commandabilité des courants .................................................................................................... 52 2-Synthèse de la boucle de courant ............................................................................................... 54 3- Régulation de la tension ............................................................................................................ 58 6 Conclusion ............................................................................................................................................ 59 CHAPITRE V : SIMULATION SOUS MATLAB/SIMULINK ........................................................... 60 Introduction ........................................................................................................................................... 61 I-Présentation de Matlab /Simulink ................................................................................................... 61 II-Caractéristiques des panneaux photovoltaïques. ........................................................................... 61 III-Simulation numérique sur Simulink............................................................................................. 63 1-Paramètrage des valeurs ............................................................................................................. 63 2-Résultats de la simulation .......................................................................................................... 63 Conclusion ............................................................................................................................................. 67 CONCLUSION GENERALE ....................................................................................................................... 68 7 Liste de figures Figure 1: tension sinusoïdale ................................................................................................................. 13 Figure 2:Harmoniques du réseau .......................................................................................................... 15 Figure 3:Les différents types d’harmoniques ........................................................................................ 15 Figure 4:Diagramme de Fresnel des puissances.................................................................................... 18 Figure 5:filtre actif parallèle. ................................................................................................................. 22 Figure 6: filtre actif UPQC ...................................................................................................................... 23 Figure 7:filtre actif série ........................................................................................................................ 23 Figure 8:: Topologie des différents filtres actifs ..................................................................................... 27 Figure 9: schéma de principe du filtre actif de puissance ..................................................................... 27 Figure 10:Onduleur en H à base de IGBT réalisé sur PSIM .................................................................... 28 Figure 11:Onduleur demi-pont réalisé sur PSIM ................................................................................... 29 Figure 12:Cellule photovoltaïque .......................................................................................................... 30 Figure 13:Principe de fonctionnement d’un PV .................................................................................... 31 Figure 14:Schéma de modélisation du réseau ...................................................................................... 34 Figure 15:: structure générale d’un filtre actif de puissance ................................................................. 36 Figure 16: Filtre actif de puissance shunt. ............................................................................................. 36 Figure 17: Schéma du système de compensation monophasé ............................................................. 38 Figure 18:Observateur d’état................................................................................................................. 41 Figure 19: Schéma de fonctionnement de l’observateur. ...................................................................... 46 Figure 20:Commande MLI ..................................................................................................................... 53 Figure 21: Principe de la commande à hystérésis ................................................................................. 54 Figure 22:: illustration de la regulation de courant ............................................................................... 55 Figure 23:caractéristiques des modules PV ........................................................................................... 61 Figure 24:Caractéristique du panneau à deux températures différentes ............................................. 62 Figure 25:algorithme MPPT ................................................................................................................... 62 Figure 26:tableau des valeurs................................................................................................................ 63 Figure 27:courant de charge.................................................................................................................. 63 Figure 28:Spectograme du courant de charge. ..................................................................................... 64 Figure 29:Courant if et ifref ................................................................................................................... 64 Figure 30:tension Vpv et Vpvref ............................................................................................................ 65 Figure 31:Spectograme du courant du réseau ...................................................................................... 65 Figure 32:Tension estimé et courant du réseau .................................................................................... 66 Figure 33: current measurement .......................................................................................................... 66 Figure 34:mesure de la tension estimé ................................................................................................. 67 8 INTRODUCTION GENERALE Le développement des appareils de l’électronique de puissance et l’utilisation accrue de ces derniers ont longtemps étés la source de nombreux problèmes sur le réseau électrique notamment la génération de perturbations harmoniques (courant et tension), ce phénomène touche un bon nombre de secteurs notamment les secteurs industriels, tertiaire et domestique utilisant des charges non linéaires. Ces charges non linéaires, d’une part, absorbent des courants non sinusoïdaux, qui à leurs tours circulent dans les lignes électriques et déforment la tension du réseau à travers l’impédance de court-circuit de celle-ci et d’autre part, consomme de la puissance réactive qui a pour conséquence de dégrader le facteur de puissance ; on note par ailleurs des effets néfastes sur les appareils électriques tel que échauffement , arrêt soudain des machines tournâtes et pouvant aller jusqu’à la destruction totale de ceux-ci. Pour pallier à ces problèmes il existe plusieurs solutions souvent classées en deux catégories : - les solutions traditionnelles à base de filtres passifs qui sont d’ailleurs peu adapter à l’évolution du réseau électrique et présente des problèmes de résonnance - les solutions modernes à base de filtres actifs mieux adapter à l’évolution du réseau et permettant la compensation des perturbations de tension comme les harmoniques, les creux de tension etc. D’autres solutions de dépollution consistent à associer des filtres actifs et passifs (filtres hybrides) pour trouver un compromis entre l’efficacité de compensation et le cout. Ces solutions peuvent être des solutions futures très prometteuses. Le travail présenté dans ce rapport consiste à étudier par simulation un filtre actif parallèle destiné à compenser les courants harmoniques générés par une charge non linéaire. Le présent rapport sera présenté en cinq chapitres : 9 La première partie du rapport seras destinée à la présentation des perturbations courante dans le réseau ainsi que les solution de dépollution, la seconde partie est consacrée à une présentation générale du système « filtre actif ,onduleur et panneau photovoltaïque » , le troisième chapitre consiste en la modélisation du système « schémas et équations mathématiques », on poursuivra par une présentation du système d’observation au chapitre quatre et pour finir une simulation sous Matlab « schémas et résultats de simulation » seras faite à la fin dudit rapport suivi d’une conclusion générale. 10 CHAPITRE I : GENERALITES SUR LES PERTURBATIONS DANS LE RESEAU ET SOLUTIONS DE DEPOLLUTION 11 Introduction Il existe plusieurs types de perturbations possibles dans le réseau électrique et de nos jours, l’utilisation des charges non -linéaires en industrie ou simplement domestique génère de nouveaux types de perturbations (les perturbations harmoniques) qui déforment le signal et parfois le rendant hors-norme. Dans ce chapitre, nous traiterons de la définition des charges linéaires, de leurs effets et aussi des normes qui encadrent la qualité harmonique du signal dans le réseau de distributions. Il sera aussi question de présenter les différentes solutions de dépollutions (traditionnelles et modernes) mise en place pour remédier à ce problème. I-Etude des caractéristiques d’un réseau due à une charge non linéaire a. Caractéristique de la tension sinusoïdale d’un réseau non pollué Dans les réseaux de distributions électriques ; la tension qui est véhiculé est une tension alternative sinusoïdale. C’est un signal dont les caractéristiques physiques sont liées à la fonction trigonométrique sinus. L’expression mathématiques est : v(t) = Vmax.sin(ω.t ±θ) avec Vmax : la valeur maximale de cette tension ; Ω :la pulsation θ : l’angle de déphasage 12 : Figure 1: tension sinusoïdale b. Généralités sur les charges non linéaires Une charge non linéaire est une charge constituée de composants non linéaires. En effet ; elle absorbe un courant non sinusoïdal lorsqu’elle est alimentée par une source sinusoïdale. Les charges non linéaires représentent de nombreux équipements industriels et domestiques et se répartissent dans de nombreux secteurs industriels. Ces appareils possèdent en entrée un système de conversion d’énergie sous une forme donnée en une autre forme en adéquation avec l’utilisation voulue. Parmi ces systèmes, nous pouvons citer : les convertisseurs AC-DC (hacheurs), DC-DC (onduleurs et gradateurs). Ces dispositifs polluants sont classés en fonction des puissances et donc du niveau de perturbations qu’ils entraînent. Ainsi, les charges industrielles arrivent logiquement en première position et il est possible de recenser les applications suivantes : -Systèmes utilisant des redresseurs à diodes ou à thyristors tels que les variateurs des moteurs électriques (à courant continu, asynchrones, synchrones), les fours à induction, les chargeurs de batterie, les électrolyseurs, les alimentations de secours, -Les récepteurs utilisant l’arc électrique : fours à arc ou soudure à arc, -Les variateurs de lumières à base de gradateurs, 13 -Téléviseurs et éléments périphériques, -Micro-informatique, Four à micro-ondes, Aspirateurs, Robots ménagers c. Charge non -linéaire sur le réseau : Apparitions des harmoniques et inter-harmoniques Les harmoniques sont des composantes spectrales ou termes d'une série de Fourier qui sont caractérisés par leurs rangs, amplitudes et dont leurs fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale généralement égale à 50 ou 60 Hz dans les réseaux électriques. Généralement ils sont générés par les charges nonlinéaires et provoquent la déformation des ondes sinusoïdales de tension et de courant. La décomposition d’un signal périodique donne une somme de signaux sinusoïdaux dont le premier est le fondamental et les autres sont des harmoniques. Un signal sinusoïdal s’écrit sous la forme : s(t)= A*sin(2πft+φ) avec : -A : l’amplitude du signal -f : la fréquence du signal en hertz -φ : la phase à l’origine en radians. La décomposition en série de Fourier d’un signal périodique est de la forme : f(t)= a0+∑ (an cos(2πnft) + bn sin(2πnft)) Avec a0 la composante continue ; an et bn les coefficients de Fourier qui représentent l’amplitude de l’harmonique et an cos(2πnft) +bn sin(2πnft) l’harmonique au rang n. ➢ Les types d’harmoniques Ils sont de 2 types à savoir : 14 - Harmonique de rang pair (2, 4, 6, 8…) s’annulent en raison de la symétrie du signal et donc souvent négligeables en milieu industriel, - Harmoniques de rang impair (3, 5, 7, 9…) fréquemment rencontrés sur le réseau électrique. Figure 2:Harmoniques du réseau En outre on peut avoir d’autres harmoniques comme : -Les Inter harmoniques sont des signaux qui n’ont pas des fréquences multiples entières de celle de la fondamentale et sont dues à des variations périodiques ou aléatoires de la puissance absorbée par différents récepteurs tels que les fours à arc, les machines à souder et les convertisseurs de fréquences (variateurs de vitesse). - Les Infra-harmoniques dont les fréquences sont inférieures à celle de la fondamentale Figure 3:Les différents types d’harmoniques 15 d. Effets de l’apparition des harmoniques Ces harmoniques sur le réseau sont à l’origine de multiples problèmes que l’on classe en 2 catégories à savoir : Les effets instantanés : -Erreurs supplémentaires dans les compteurs d'électricité à disque à induction -Vibration et bruits acoustiques dans les appareils électromagnétiques (transformateurs, inductances). -Provocation du phénomène de résonance dû à la présence des condensateurs créant ainsi des courants excessifs et probablement un risque d’endommagement de ces condensateurs Les Effets à long terme : -Echauffement des condensateurs allant jusqu’au claquage des condensateurs. -Pertes supplémentaires des machines tournantes et transformateurs -Echauffement des câbles : On observe une élévation de température au niveau des câbles. -Vieillissement prématuré : La présence des harmoniques provoque l’échauffement exagéré dans les conducteurs et la destruction d’équipement (condensateur, disjoncteur...) dégradant le rendement des équipements et leurs durées de vie. 5. Caractérisation des perturbations harmoniques a. Taux de distorsion harmonique Le taux de distorsion est un paramètre qui définit globalement la déformation de la grandeur alternative. Le taux de distorsion harmonique se mesure normalement harmonique par harmonique dans les phases de conception et d'essai des matériels. 16 THDh= 𝑋ℎ 𝑋1 avec Xh : composante harmonique de rang h et X1 : composante fondamentale. b. Taux de distorsion harmonique global Le taux de distorsion harmonique global (THD) se définit comme le rapport entre la valeur efficace de l'ensemble des composantes harmoniques et la valeur efficace du fondamentale. Il se calcule par : n = THD(%) = X n=2 2 h X1 Notons qu’on peut avoir le THD de courant THDI et la tension : THDV. Contrairement au niveau de courant, le niveau de tension est une valeur fixe et prédéfinie pour un réseau. c. Facteur de puissance Le facteur de puissance noté FP est un indicateur de la qualité de la conception et de la gestion d'une installation électrique. Il s’agit d’une caractéristique fondamentale d’un équipement électrique et se calcule à partir de la puissance active et apparente. Il faut noter qu’un faible facteur de puissance traduit une mauvaise utilisation des équipements électriques. FP = P = S P P2 + Q2 Le facteur de puissance FP est une grandeur importante pour évaluer la qualité d’un signal électrique, pour une charge linéaire, le facteur de puissance est égal au facteur de déphasage Cos φ. 17 En présence des harmoniques, une nouvelle puissance fait son apparition elle se nomme la Puissance déformante D et se calcule par la formule suivante : D = S 2 − (P2 − Q2 ) Figure 4:Diagramme de Fresnel des puissances 6. Normes concernant les perturbations harmoniques Les deux principaux organismes de normalisation internationaux dans le domaine électrotechnique sont la CEI (Commission Electrotechnique Internationale), et l’IEEE (Institute of Electrices and Electroniques Engainées), ces deux organismes réalisent la principale activité de normalisation dans le domaine des perturbations électriques au niveau mondial. L’objectif des normes et des réglementations est de limiter les dysfonctionnements occasionnés par les harmoniques. En exemple, on peut citer : - La norme CEI 61000-2-2 : elle définit les niveaux de comptabilité de tensions harmoniques sur les réseaux publiques basse tension, elle est représentée sur le tableau 1 ci-dessous. Cette norme vise à protéger les équipements raccordés sur un réseau bas tension déformé. - La norme CEI 61000-3-2 : cette norme fixe la limitation des courants injectés dans le réseau publique pour des équipements dont le courant par phase est inférieur à 16A. Il s’agit des appareils du domaine domestique. 18 Tableau 1:Limites des émissions de tensions harmoniques Tableau 2:Limites des composants harmoniques (la norme CEI 61000-3-2). Et les principales normes de l’IEEE sont : - La norme IEEE 519-1992 : cette norme détermine la procédure pour contrôler les harmoniques présents surale réseau électrique ainsi que les limites 19 recommandées de la pollution harmonique gênée rée par les clients et de distorsion harmonique totale sur le réseau. - La norme IEEE 1159-1995 : cette norme réalise un bilan exhaustif et donne une définition de tous les phénomènes électromagnétiques qui ont lieu dans le réseau en fonction de leur contenu spectral, leur durée et leur amplitude Tableau 3:limites pour la distorsion harmonique de la tension (la norme IEEE 519-1992). Tableau 4:Limites des émissions de courants harmoniques (la norme IEEE 519-1992) . 20 II-SOLUTIONS DE DEPOLLUTIONS Il existe moultes façons de dépollution du réseau électrique partant des méthodes traditionnelles vers les méthodes modernes on peut citer : A-Les méthodes traditionnelles Elles sont basées sur la conception du circuit et utilisent des composants passifs tels que bobine inductance etc.. 1. 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. 2. Ajout d’une inductance de lissage du courant Placée en amont des dispositifs de pollution, elle assure l’atténuation des harmoniques des rangs élevés en réduisant donc la distorsion de tension au point de raccordement tout en induisant des coûts supplémentaires. 3. Filtrage passif Le principe du filtrage passif consiste à insérer en amont de la charge, un ou plusieurs circuits accordés sur les harmoniques à rejeter. Un filtre passif est constitué d’éléments passifs tels que des inductances, des condensateurs et des résistances, qui forment une impédance dont la valeur varie en fonction de la fréquence. Il existe plusieurs méthodes traditionnelles de dépollution du réseau électrique toute fois nous ne citerons que celles-ci car nous nous intéressons à la réalisation 21 d’un filtre actif qui fait partie des méthodes modernes de dépollution du réseau que nous citerons plus bas B-Solutions modernes 1. Filtre actif parallèle Le filtre actif Parallèle permet d'empêcher les courants harmoniques produits par des charges polluantes, de circuler à travers l’impédance du réseau, située en amont du point de connexion du filtre actif. Il injecte dans le réseau des Courants perturbateurs égaux à ceux absorbés par la charge polluante, mais en opposition de phase avec ceux-ci. Figure 5:filtre actif parallèle. 2. La combinaison parallèle – série actifs La combinaison parallèle – série actif est une solution de compensation universelle basée sur le fonctionnement simultané des filtres actifs parallèle et série. Cette nouvelle Topologie est appelée combinaison parallèle série actifs ou Unified Power Quality Conditioner (UPQC). L’UPQC possède les avantages cumulés des filtres actifs parallèle et série. Le filtre actif série, lorsqu’il est placé en amont du filtre actif parallèle, il permet de dépolluer la source des tensions perturbatrices. Lorsqu’il est placé en aval, il permet d’isoler la charge de la source perturbée. 22 Figure 6: filtre actif UPQC 3. Filtre actif série Il permet de protéger les installations contre les harmoniques de tension les surtensions et les creux de tension etc. Il utilise une impédance en série qui sera nul pour le fondamentale et de valeur élevée pour les autres permettant ainsi de s'oppose aux tensions perturbatrices (creux, déséquilibre, harmonique), venant de la source et également à celles provoquées par la circulation des courants perturbateurs à travers l’impédance du réseau. Figure 7:filtre actif série 23 Conclusion En somme ; les charges linéaires génèrent des perturbations harmoniques qui ont pour effets de modifier le signal de l’onde électrique dans le réseau qui peut avoir des graves effets sur les appareils électriques. Ils existent néanmoins des solutions de dépollutions parmi lesquels le filtrage actif dont nous présenterons dans le chapitre suivant ainsi que les différents éléments de notre système de filtrage. 24 CHAPITRE II : PRESENTATION GENERALE DU SYSTEME 25 Introduction La recherche d’une énergie de qualité, le besoin de protection des appareils électriques, d’un facteur de puissance optimal, d’une forme d’onde quasi sinusoïdale et d’un système adapté à l’évolution des réseaux électriques ont longtemps étés des préoccupations pour les distributeurs, chercheurs et utilisateurs de l’énergie électrique. Les solutions traditionnelles de dépollution notamment filtre passif ont longtemps répondu à plusieurs de ces dernières mais présentant des inconvénients majeurs tels que le phénomène de résonnance, efficacité moyenne et mal adapté aux variations de la charge et du réseau il était donc important de trouver une solution plus performante et adaptée à ces différentes contraintes : le filtre actif. I.FILTRE ACTIF DE PUISSANCE 1. Filtre actif de puissance Il s’agit de dispositif composé d’onduleur dont le principe est basé sur l’injection de courant, de tension ou des deux à la fois ; dans le réseau afin de s’opposer aux perturbations harmoniques de courant créées par une charge non linéaire, ou aux tensions harmoniques présentent dans le réseau électrique. Les filtres actifs sont caractérisés par leur grande souplesse d’adaptation, une adaptation à l’évolution de la charge du réseau qui se fait de façon automatique, pas de risque de résonnance, un cout enlevé de conception. Ces derniers sont classés suivant différents paramètres : nombres de phases, types du convertisseur utilisé et topologie. Nous ne s’intéresseront ici qu’à la topologie du filtre on distingue donc les filtres séries, parallèles, hybrides. 26 Figure 8:: Topologie des différents filtres actifs 2. Filtre actif parallèle (shunt) IL s’agit principalement d’un onduleur de tension connecté en parallèle avec le réseau via un filtre de découpage « résistance en série avec une inductance », il permet l’injection en temps réel et en opposition de phase des courants harmoniques de mêmes amplitudes que ceux ingérés par une charge non linéaire. Il permet ainsi d’empêcher les courants harmoniques produits par les charges polluantes de circuler à travers l’impédance du réseau électrique située en amont du point de connexion du filtre. Figure 9: schéma de principe du filtre actif de puissance 27 II-LES ONDULEURS 1. Définition L’onduleur est un dispositif d’électronique de Puissance permettant la conversion d’un signal (courant et tension) continu en un signal alternatif de fréquence précise. Elle est utilisée pour la conversion du courant produit par les panneaux photovoltaïques en courant alternatif de fréquence équivalente, injectable dans le réseau électrique. 2. Principe de fonctionnement L’onduleur, dans sa modélisation technique en électronique de puissance a une structure basée sur un pont en H constitué d’interrupteurs électronique ; le plus souvent des IGBT mais aussi des transistors de puissance et des thyristors. Une commande appropriée de ces interrupteurs permet de moduler la largeur de d’impulsion du signal entrant pour obtenir un signal alternatif. Figure 10:Onduleur en H à base de IGBT réalisé sur PSIM 28 3- Onduleur en demi- pont Contrairement, l’onduleur en demi-pont nécessite uniquement deux commutateurs connectés en antiparallèle en fonctionnant de manière complémentaire : Si l’un est en marche l’autre est à l’arrêt et alternativement. Le Pont en H est complété par deux diodes qui permettent d’assurer une continuité du courant lors de la commutation. Figure 11:Onduleur demi-pont réalisé sur PSIM II-les Panneaux photovoltaïques 1-Généralités sur les panneaux photovoltaïques 1.1 Définition Un panneau photovoltaïque : capteur solaire composé de plusieurs cellules photovoltaïques est un générateur électrique qui recueille de la lumière solaire puis la convertit en électricité. Généralement ils sont placés sur le toit des maisons dans les directions sud, sud-est ou sud-ouest avec une inclinaison de 30°à 35° afin d’avoir le meilleur rendement que possible. Le matériau conducteur principalement utilisé pour fabriquer les panneaux solaires photovoltaïques est le silicium. 29 1.2 Les constituants d’un PV Sont composés principalement de deux couches semi-conductrices constituées de silicium et sont reliées en séries : - La couche supérieure est couplée avec un autre composé généralement du phosphore contenant plus d'électrons que le silicium naturel : Silicium dopé N - La couche inférieure couplée à un élément généralement du bore qui contient moins d’électrons que le silicium à l’état naturel. On parle alors de silicium dopé P. Notons qu’à la frontière des couches P et N, il apparait une zone neutre qui s’oppose à toute circulation de courant appelée jonction P-N. Figure 12:Cellule photovoltaïque On distingue 3 types de cellules PV qui diffèrent selon la qualité du module : ▪ Monocristallines : constituées d’un seul bloc de silicium et dont les cristaux sont orientés de manière uniforme, excellentes performances et prix élevé ▪ Polycristallines : panneaux à cristaux multiples qui favorisent une capacité de production d’énergie satisfaisante dans les zones à bon ensoleillement et offrent un très bon rapport qualité/prix ▪ Amorphes : moins résistants et moins durables. 30 1.3 Principe de fonctionnement d’un PV Quand un photon incident ou le rayonnement solaire arrive sur les cellules photovoltaïques, il interagit avec les électrons de celles-ci en cédant son énergie hν à l'électron qui se retrouve libéré de sa bande de valence et subit donc le champ électrique intrinsèque. Sous l'effet de ce champ, l'électron migre vers la face supérieure laissant place à un trou qui migre en direction inverse. Des électrodes placées sur les faces supérieure et inférieure permettent de récolter les électrons et de leur faire réaliser un travail électrique pour rejoindre le trou de la face antérieure et c’est ce mouvement des électrons qui produit du courant continu qui par la suite sera convertit grâce à l’onduleur en Alternatif afin d’être utilisé. Il faut noter que la quantité d’électricité produite dépend de la puissance maximale du panneau, exprimée en Watt crête (Wc), de l’ensoleillement et de son rendement (la quantité d’énergie qu’il peut capter). Figure 13:Principe de fonctionnement d’un PV Remarque : Notons que généralement les gens emploient les termes panneau photovoltaïque et panneau solaire sans les dissociés or ce sont 2 choses distinctes : - Le panneau solaire est un module destiné à capter l’énergie du soleil pour produire de l’électricité, il existe plusieurs catégories de panneaux solaires à savoir : panneaux thermiques, panneaux aérovoltaïques, panneaux photovoltaïques, etc…. 31 - Le panneau photovoltaïque est donc un type de panneau solaire qui génère de l’électricité grâce à ses nombreux capteurs et de surcroît stockable dans les batteries dans le but d’utiliser en dehors des heures d’ensoleillement avec un bien meilleur rendement. La température de fonctionnement optimal d’un PV est de 25 °C, au-delà la production d’électricité peut connaître une chute de 25 %. 1.4 Avantages et inconvénients des PV - Avantages • Production autonome d'énergie verte • Facilité d'entretien et durabilité • En grande partie recyclables. • Large variété de modèles adaptés à tous les budgets et à toutes les situations géographiques. - Inconvénients • Rendement dépendant de l'ensoleillement • Installation onéreuse • Durée de vie d’environ 20 ans et 10 ans pour l’ondulateur seul Conclusion Dans ce chapitre il était question pour nous de faire une présentation générale du système « Filtre actif de puissance combiné au panneau photovoltaïque » afin d’avoir une connaissance globale sur le fonctionnement des éléments principaux constituant ce dernier. Les éléments de connaissance ainsi recueillit nous permettront de réaliser la modélisation dans le chapitre suivant 32 CHAPITRE III : MODELISATION DU SYSTEME 33 Introduction Notre système étant composé du réseau, de la charge non linéaire et du filtre actif, il est important de faire une modélisation pour permettre une étude approfondie du système. Nous procéderons dans ce chapitre à la modélisation du réseau et du filtre actif. I-Modélisation du réseau 1- Modélisation schématique du réseau Le réseau électrique monophasé est modélisé par une source de tension alternative en série avec une inductance et une résistance. Figure 14:Schéma de modélisation du réseau 2- Modélisation mathématique Vso = V max sin(t ) . dVso Vso = dt .. Vso Vso = − 2 (3-1) II- Modélisation du FAP 34 1. Topologie et schématisation du FAP Le filtre actif de puissance utilisé comporte deux parties la partie de puissance et la partie de commande La partie puissance comprend essentiellement : • Un onduleur de tension en demi pont comportant un bras de commutateurs (S1, S2) à IGBT-DIODE • De deux condensateurs de capacité cpv pour le stockage de l’énergie électrique • D’un filtre de découpage de sortie (Lf et rf) La partie contrôle-commande quant à elle est constituée : • De la méthode d’identification des courants perturbés du système à base de PLL qui sera intégré dans la méthode d’identification des courants, • De la régulation de la tension continue appliquée aux éléments de stockage d’énergie, • De la régulation du courant injecté sur le réseau à partir de l’onduleur de tension, • De la commande de l’onduleur de tension. 35 Figure 15:: structure générale d’un filtre actif de puissance 2. Modélisation mathématique Ajouter les panneaux photovoltaïques à ce schéma Figure 16: Filtre actif de puissance shunt. En appliquant les lois de Kirchhoff on peut retrouver : 36 1+ 1− = − rf i f + ( v pv1 − v pv 2 ) − vs dt 2 2 1+ i pv1 = icpv1 + if 2 dv pv1 icpv1 = c pv dt dv pv1 1+ c pv = i pv1 − if dt 2 dv pv 2 1− c pv = i pv 2 + if dt 2 di f rf i f v 1 =− + va + vd − s dt Lf 2L f 2L f Lf Lf di f dva 1 = (i pv1 + i pv 2 ) − if dt c pv c pv dvd 1 1 = (i pv1 + i pv 2 ) − if dt c pv c pv vd = v pv1 − v pv 2 va = v pv1 + v pv 2 (3-2) III-Modélisation du système 1. Topologie complète du système Le système de compensation d’harmoniques que nous étudions est constitué de : - Du réseau électrique monophasé de tension Vs0, une résistance rs et une inductance Ls 37 - Une charge non linéaire représentée par un pont redresseur complet avec une charge résistive et inductive - Un filtre actif parallèle, une solution moderne de dépollution du réseau des harmoniques - Deux panneaux photovoltaïques pour la production de la tension fournie au réseau Ci-dessous le schéma complet du montage : Figure 17: Schéma du système de compensation monophasé 2. Modélisation complète du système La modélisation complète du système est obtenue par combinaison des modélisations du filtre et celle du réseau. 38 rf i f di f vs 1 dt = − L + 2 L va + 2 L vd − L f f f f dva 1 if (i pv1 + i pv 2 ) − = c pv dt c pv dv 1 1 d = dt c (i pv1 + i pv 2 ) − c i f pv pv di v − rs so v s s − is = Ls Lf dt • (3-3) dv so v = so dt •• 2 vso = − vso Conclusion Ce chapitre a été pour nous l’occasion de réaliser la modélisation complète du système. La modélisation du FAP combiné aux panneaux photovoltaïques ainsi conçu et modéliser nous permettra de faire la synthèse de l’observateur de réseau qui fera l’objet du prochain chapitre. 39 CHAPITRE IV : SYNTHESE DE L’OBSERVATEUR 40 Introduction Le prix de plus en plus exorbitant des capteurs en industrie, impose de rechercher des systèmes qui permettent de fournir une estimation de certains paramètres. Plusieurs approches existent aujourd’hui pour les observateurs tel que le filtrage de Kalman, le placement des pôles…Dans ce chapitre, il sera l’objet d’étudier et de synthétiser un observateur pour l’observation de notre système pour nous fournir une estimation sur la valeur is . I-Généralités sur les observateurs Figure 18:Observateur d’état Un observateur d’état est un algorithme mathématique qui sert à estimer (reconstruire) l’état x d’un système dynamique, à partir de la connaissance des mesures disponibles : les sorties y et des entrées u tout en se basant sur un modèle représentatif du système. II-Représentation d’état du système à observer En automatique, une représentation d'état permet de modéliser un système dynamique en utilisant des variables d'état. Cette représentation, qui peut être linéaire ou non, continue ou discrète, permet de déterminer l'état du système à n'importe quel instant futur si l'on connaît l'état à l'instant initial et le comportement des variables exogènes qui influent sur le système. La 41 représentation d'état du système permet de connaître son comportement "interne" et pas seulement son comportement "externe" comme c'est le cas avec sa fonction de transfert. La représentation d’état des variables des systèmes continues est de la forme : (3 .1) D’après l’équation : du chapitre précédent modélisant mathématiquement notre système, on obtient par identification en posant : ; on obtient que : La représentation complète de notre système s’écrit donc : 42 • − R 1 −Vs is s 0 is L s Ls • L s 0 1 Vso + 0 Vso = 0 2 •• • 0 Vso 0 − s 0 Vso is y (t ) = (1 0 0 ) Vso • Vso (3-2) III-Etude de l’observabilité du système Un système est dit observable si l'observation de ses entrées et sorties pendant un intervalle de temps fini [ti ;tf] permet de déterminer l'état initial , et donc, par intégration de l'équation d'état, de connaitre l’état du système à tout instant appartenant à l'intervalle. Plusieurs critères permettent d’étudier l’observabilité d’un système et parmi elles, nous avons le critère de Kalman qui seule constitue une condition nécessaire et suffisante pour conclure sur l’observabilité d’un système. 1- Critère de Kalman Un système est observable si et seulement si le rang matrice d’observabilité du système est égale au rang de la matrice su système 43 ( ) T n − 1 Mobs = C CA ... CA rg ( Mobs ) = rg ( A ) = n (3-3) 2- Application de critère de Kalman à notre système On a : Et Donc : 44 ( Mobs = C CA CA2 ) T C =(1 0 0 ) −Rs Ls CA= (1 0 0) 0 0 0 Ls −R 0 1 =( s Ls − 2s 0 1 0) Ls 2 0 Ls 2 − R − Rs s 0 1 = 2 L s L 2 s − s 0 − Rs Ls CA2 = (1 0 0) 0 0 Donc on a : 1 −R s Mobs = Ls − R 2 s L s et par la suite : 1 1 0 1 Ls − Rs 2 Ls 0 0 1 L s 2 1 det( Mobs ) = 0 Ls Donc : rg ( Mobs ) = rg ( A ) =3 (3-4) 1 L s (3-5) (3-6) (3-7) Conclusion : Le système est observable 45 IV-Principe de fonctionnement de l’observateur 1- Principe de fonctionnement L’observateur est une extension d’un modèle représenté sous forme d’une représentation d’état. Il est conçu lorsque le système n’est pas mesurable et il permet à partir d’un modèle de système dynamiques et de d’autres grandeurs mesurables de reconstruire l’état du système. La forme générale d’un observateur est : (3-8) Avec : - G : gain de l’observateur ; - y ( t ) : la sortie de l’observateur - f ( x ;u ) : l’estimation de l’observateur Figure 19: Schéma de fonctionnement de l’observateur. 46 2- Commande par observateur d’état Pour un système linéaire : la représentation d’état est de la forme : (3-9) L’observateur dynamique est de la forme : x(t ) = A x(t ) + B + G ( y (t ) − y (t )) y (t ) = C x(t ) Soit de manière plus simplifiée : (3-10 le symbole de l'état estimé est x avec un chapeau sur x utiliser mathtype de l'écriture des équations x(t ) = ( A − GC ) x(t ) + B + Gy (t ) y (t ) = C x(t ) Posons pour la suite de l’étude : A0 = A − GC (3-11) 3- Etude du Gain de l’observateur Les valeurs du gain G de l’observateur sont choisies de tel manière à assurer la stabilité du système qui est étudié par l’application du critère de Routh-Hurwitz. 3 .1- Résumé du critère de Routh-Hurwitz Soit D(p) le dénominateur de la FTBF d’un système. Le système est stable si et seulement si tous les termes de la première colonne du tableau des coefficients de Hurwitz sont strictement positifs. 47 3.2-Application à notre système Posons : A = I − A 1 0 On a : 1 Rs − − g1 0 1 0 0 Ls Ls A1 = 0 1 0 − 0 1 −g2 0 0 1 2 − g3 − s 0 1 Rs − − 0 g 1 0 0 L L s s det( A1) = det 0 0 − − g 2 0 1 0 0 −g − 2s 0 3 1 R + s + g1 − 0 Ls Ls −1 1 g 2 −1 R det( A1) = −1 = + s + g1 − − g2 2 L s s Ls g3 2 g3 s 1 R det( A1) = + s + g1 2 + 2s + g 2+ g 3 L s Ls ( ( ) On pose par la suite : det ( A1) = a 3 ) + a + a + a avec : 3 2 2 1 0 48 a =1 a = R +g L g + = a L R g = + + g a L L 3 s 2 1 s 2 (3-13) 2 1 s s 2 0 s s 3 1 s s Tableau de Routh-Hurwitz de notre système : (3-14) Donc selon le critère de Routh-Hurtwiz ; on a : a3 = 1 0 a3 0 a 0 a = Rs + g 0 2 2 1 L → s b 0 1 a a − a a 0 b2 0 2 1 3 0 b1a0 0 (4-15) Il faudra donc choisir le gain G tel que : 49 Rs + g1 0 Ls Rs g3 + g1 g2 Ls Rs − g3 + g1 2 L L s s s (4-15) 4-Convergence de l’observateur Un observateur est dit asymptotiquement convergent si l’erreur d’observation x =0 x = x − x tend vers 0 à l’infini : lim x → Si de plus ses états initiaux x(0) et x ( 0 ) sont convergent, alors il a une convergence globale. Conclusion Tout au long de ce chapitre, nous avons vérifiez l’observabilité du système et synthétiser un observateur dans sa représentation stabilité et aussi sa convergence. Nous évoquerons dans notre prochain chapitre la synthèse des régulateurs. 50 CHAPITRE V : SYNTHESE DES REGULATEURS 51 Introduction Le filtrage actif parallèle présente actuellement, la solution la plus fiable pour l’élimination des harmoniques de courant surtout après le développement des semi-conducteurs de puissance, les DSP et les microcontrôleurs. La réussite de ce type de filtrage est due aussi aux développements des techniques de commandes des onduleurs (MLI, Hystérésis, et plus récemment MLI vectorielle) La régulation de courant et de tension qui sera présenté dans ce chapitre permet d’améliorer les performances du filtre actif parallèle. I-Objectif de la commande L’élaboration d’une commande permet de piloter les interrupteurs utilisés pour les convertisseurs et l'un des objectifs de la commande est de maintenir le courant de sortie du filtre à une référence donnée. Dans le cas de l’onduleur, les principales techniques de commande utilisées pour les convertisseurs sont la commande par hystérésis (simple ou modulée) et la commande MLI. Dans notre cas précis, nous allons utiliser un dispositif de régulation cascade en 2 boucles pour notre FAP : -Boucle interne pour la commande du courant -Boucle externe pour la commande de la vitesse Et ceci dans le but compenser les harmoniques de courant générées et la puissance réactive absorbée par la charge non-linéaire puis de réguler la tension continue du FAP II-Commande de l’Onduleur de tension 1-Commandabilité des courants Pour commander le courant électrique de l’onduleur, plusieurs stratégies ont été mis en place par les chercheurs à savoir : 52 -Commande MLI -Commande par hystérésis a-Commande MLI (Modulation de largeur d’impulsion) Stratégie : opter pour une fréquence de commutation suffisamment élevée par rapport à la fréquence maximale du signal de sortie souhaitée et reproduit la valeur moyenne de ce signal à chaque période de commutation en jouant sur la durée d'application des tensions positives et négatives par rapport au point milieu du bus continu. Et ceci dans le but de diminuer les harmoniques supplémentaires générés par l’onduleur. Notons que cette commande est largement utilisée pour produire des alimentations sans interruption (ASI), l'interfaçage DC/ AC éolien et solaire, pour les régulateurs de tension autonomes dans les systèmes d'alimentation distribués et dans bien d'autres applications. Figure 20:Commande MLI b-Commande par hystérésis - Commande par hystérésis : Il s’agit d’une commande non linéaire à fréquence de commutation variable, elle établit la différence entre le courant de référence et le courant produit par l’onduleur que l’on nomme 53 le signal d’erreur qui par suite est comparé à un intervalle appelé bande d’hystérésis qui génèrent la commande des interrupteurs. Malheureusement, avec cette commande, on ne peut pas maîtriser correctement le spectre haute fréquence due aux fréquences de commutation. - Commande par hystérésis modulée : utilise en plus une fréquence fixe de commutation des semi- conducteurs ce qui améliore l’inconvénient majeur de la commande par hystérésis. Figure 21: Principe de la commande à hystérésis Comme mentionnée plus haut nous allons utiliser la régulation en cascade puisqu’elle présente beaucoup plus d’avantages que les autres pour cela en interne nous aurons la boucle de courant et en externe bien évidemment la boucle de tension. 2-Synthèse de la boucle de courant La commande vise à exiger sur le courant Is délivré par le réseau électrique d’être sinusoïdal et en phase avec la tension Vs0 estimée de celui-ci. Autrement dit, le courant If injecté par le FAP doit suivre le mieux possible sa référence i* f définie par : Is=β Vs0 (4.1) afin d’éviter toute perturbation sur le réseau électrique. Avec le signal réel β >0 54 Figure 22:: illustration de la regulation de courant Pour garantir la compensation des harmoniques, nous introduirions une erreur de poursuite e1(t) associée au courant du FAP If(t) : e1 (t ) = i f (t ) − i f * (t ) Avec (5-1) i f * (t ) = iL (t ) − VS 0 (t ) Donc : e1 (t ) = i f (t ) − iL (t ) + VS 0 (t ) di f dt D’après l’équation : on a : + rf Lf if = V 1 Vd ( + a − VS ) Lf 2 2 En appliquant la transformée de Laplace à cette équation on obtient : (p+ i f ( p) = D’où : rf Lf )i f ( p) = V 1 Vd ( + u ( p) a − VS ( p)) Lf 2 2 Vd + u ( p )Va − 2VS ( p ) L 2rf .( f p + 1) rf (5-2) Ceci correspond à une équation de 1er ordre avec comme entrée principale u(t) et entrée de perturbation Vs(t) u ( p) = K P .e1 (t ) + Kp t Ti 0 e1 ( )d (5-3) En appliquant la transformée de Laplace à l’équation , on obtient : 55 u ( p ) = K p .e1 ( p ) + → K p e1 ( p ) . Ti p (1 + Ti p) u ( p) 1 = K p (1 + ) = Kp e1 ( p) Ti p Ti p (5-4) En supposant : Vd-2VS négligeable devant u(p)Va ; on obtient finalement i f ( p) = u ( p )Va L 2rf .( f p + 1) rf a-La fonction de transfert en boucle ouverte La fonction de transfert en boucle ouverte de courant est donnée par la formule : i ( p) u ( p) FTBO = f * u ( p) e1 ( p ) Par la suite on obtient : Avec Ti = f En supposant FTBO = ; K BO = Ti = f i ( p) K p K BO FTBO = f = e ( p ) Ti p 1 ; avec i ( p) (1 + Ti p) K BO FTBO = f = Kp . e1 ( p) Ti p 1 + f p Va 2 rf et f = (5-5) Lf rf FTBO = et par simplification, on obtient : K p K BO Ti p ou K p K BO f p b-Fonction de transfert en boucle fermée D’après le cours on sait que FTBF = FTBO 1 + FTBO (5-6) 56 K p K BO f p Donc en revenant à notre cas on aura : FTBF = 1+ Par suite : K p K BO K p K BO f p = f + K p K BO f p f p K p K BO FTBF = K p K BO (1 + Et enfin on obtient : K p K BO 1 FTBF = 1+ FTBF peut se mettre sous la forme : FTBF = f K BF 1 + BF p p) (5-7) f K BO K p p et par identification on trouve : BF = f K BO K p et K BF = 1 (5-8) L’utilisation de la régulation en cascade impose qu’on a le temps de réponse de la boucle du courant plus rapide que celle de la boucle de tension pour cela on nécessite la présence d’une action proportionnelle dans la boucle ouverte et donc nous faisons appel au régulateur PI dont la fonction de transfert est la suivante : 1+i p Ci ( p) = Kp( ) adapté pour ce genre de situation. i p c-Gain du correcteur PI L’objectif à d’avoir une boucle de courant bien plus rapide que la boucle de trBF (5 %) tr = tension donc la réponse après correction doit être : BFC (5 %) et en utilisant 10 la méthode de compensation du pôle dominant et en supposant f = i ; on obtient : trBF (5 %) = 3 f . (5-9) 57 Le temps de réponse en boucle fermée après correction nous donne : trBFC (5 %) = 3 BFC (5-10) En égalisant ces expressions on trouve : trBFC (5 %) = 3 BFC = Sachant que BFC = Par suite K p = f K BO K p donc : 3 BFC = 3 f K BO K p = V 10 or K BO = a donc finalement K BO 2 rf trBF (5 %) 10 3 f 3 f 10 (5-11) 10 Kp = = 20rf (5-12) Va 3- Régulation de la tension Pour la régulation de la tension, nous aurons à utiliser un correcteur de vitesse dont le but est de réguler la tension Va fourni par les panneaux à sa valeur de consigne Varef reçu en entrée de la boucle de tension. En s’appuyant sur la différence entre les valeurs de Va et Varef on peut facilement calculer la puissance des panneaux photovoltaïques Pa à la sortie de la boucle de tension qui par suite s’ajoutant à la puissance active harmonique produit ainsi un courant fondamental actif pour corriger la tension Va. Notons e2(t) l’erreur de poursuite entre Va et Varef qui est associée à la tension des panneaux, on a alors : e2 (t ) = Va (t ) − Va ref (t ) (5-13) Et en se référant à la loi de contrôle on peut écrire : = c2e2 (t ) + c3e3 (t ) avec c2 et c3 des paramètres du régulateur de tension. t Par suite : e3 (t ) = (Va − Va ref )d (5-14) 0 t D’où : = c2 (Va − Va ref ) + c3 (Va − Va ref )d (5-15) 0 58 Ainsi donc on obtient à la sortie de notre boucle de tension, une tension de panneaux régulée à sa valeur de référence. Conclusion Dans ce chapitre il avait été question de mettre au point une boucle de régulation pour le courant et la tension dans le but de réguler le courant du FAP puis la tension à la sortie des panneaux dans l’optique d’annuler les harmoniques produites par la charge non linéaire. 59 CHAPITRE V : SIMULATION SOUS MATLAB/SIMULINK 60 Introduction Après études et modélisation de notre système composé du FAP, de sa régulation et de l’observateur ; il est important de visualiser et de vérifier les résultats de notre système. Il sera question dans ce chapitre de présenter les détails pratiques de notre système sur Matlab et des résultats de la simulation sur Simulink. I-Présentation de Matlab /Simulink Matlab est un logiciel de calcul matriciel à syntaxe simple, mais de manière plus générale, on le considère comme un langage de programmation adaptés pour les problèmes scientifiques. Il comprend plusieurs modules dont Simulink qui est l’extension graphique Matlab avec des diagramme de blocs permettant de simuler des applications scientifiques dans plusieurs domaines. Pour notre application, nous utilisons la version 2016 de Matlab. II-Caractéristiques des panneaux photovoltaïques. Nous utilisons des panneaux de module : 1Soltech 15STH-215-P dont les caractéristiques sont résumées dans le tableau suivant : Figure 23:caractéristiques des modules PV Ci – dessous les variations du courant Ipv et de la puissance délivrée par le panneau sous deux températures différentes (à la température ambiante 25°C et à 45°C) en fonction du voltage présentant clairement les points de fonctionnements optimums. 61 Figure 24:Caractéristique du panneau à deux températures différentes Pour optimiser et garantir la génération d’une puissance maximale par le panneau, nous le soumettons au contrôle d’un algorithme MPPT qui prend en compte les variations d’irradiations et de température. Ci-dessous l’algorithme MPPT appliqué à chacune de nos deux modules photovoltaïques. Figure 25:algorithme MPPT 62 III-Simulation numérique sur Simulink 1-Paramètrage des valeurs Pour la simulation de notre système, il est crucial de définir les valeurs des paramètres (résistance et impédances) composants ce dernier. Ces valeurs sont rassemblées dans le tableau suivant : Paramètres Symbole Vmax Rs Valeurs 220√2 V 0,5Ω Ls 5mH Réseau électrique f Rf Lf 50Hz 80mΩ 3mH Filtre actif parallèle Cf Rch Lch 900μF 15Ω 300mH La charge Lo C2 10mH 2F Régulateur de tension C3 Proportionnel 2F 10 Régulateur de courant Intégral 100 Figure 26:tableau des valeurs 2-Résultats de la simulation La figure28 montre l’allure du courant de charge qui est périodique et presque carré présente des distorsions avec d’énorme harmoniques. Il présente un THD élevé de l’ordre de 31% Figure 27:courant de charge 63 Figure 28:Spectograme du courant de charge. La figure 29 quant à elle nous présente l’allure du courant du filtre injecté dans le réseau qui coïncident approximativement avec le courant Iref imposé pour la régulation Figure 29:Courant if et ifref Dans le cadre de la régulation de tension ; nous observons dans la figure 30 que la tension Vpv suit très bien sa référence Vpvref fixé à 800V 64 Figure 30:tension Vpv et Vpvref La figure 31 nous montre le spectre du courant du réseau qui présente un THD très faible de l’ordre de 2% qui est parfaitement conforme aux normes preuve de l’efficacité de la compensation du filtre. Figure 31:Spectograme du courant du réseau Les résultats de l’observation illustré à la figure 32 ,nous permettent de voir clairement que la tension estimer est bien en phase avec le courant du réseau Is et reste parfaitement sinusoïdale. Ceci prouve que l’objectif de la correction du facteur de puissance est parfaitement atteint. 65 Figure 32:Tension estimé et courant du réseau La valeur maximale du courant du réseau déterminé à partir du graphe 32 est de l’ordre de 2.5 A. Figure 33: current measurement Aussi, nous obtenons que la valeur maximale de la tension estimé est de 311.1 V très sensiblement égale à 220√2 . sur la meme courbe afficher la tension réelle Vs et sa valeur estimée X2 chapeau 66 Figure 34:mesure de la tension estimé Conclusion Les résultats des simulations présenté dans ce chapitre nous permettent de conclure sur l’efficacité de l’observateur qui a fourni une estimation correcte de la tension du réseau et de l’efficacité du filtrage qui a permis : l’élimination des harmoniques dues à la charge non linéaire et la correction du facteur de puissance. 67 CONCLUSION GENERALE Le travail ci-dessus a été axé sur l’étude d’un filtre actif parallèle à base d’un onduleur à demi pont, connecté à des panneaux photovoltaïques et aussi d’un système d’observation pour la tension du réseau. Nous avons effectué, dans un premier temps, une étude théorique concernant les origines et les conséquences des perturbations électriques, des solutions de dépollution ont été élaborées et le choix d’une solution basée sur les principes de filtrage actif type parallèle (FAP) a été retenu au vu des différents avantages que celui-ci présente et de l’application qui en sera faite. Par la suite nous avons eu a abordé une présentation globale du système « réseau, onduleur, filtre actif parallèle, panneaux photovoltaïques » suite à cette étude il en est ressortie que la commande MLI de l’onduleur demi pont seras plus adaptée pour notre système car elle offre une fréquence de commutation fixe qui peut être imposée, ce qui simplifie le filtrage des harmoniques, la commande ainsi faite il a été question par la suite de définir une stratégie de régulation adéquate. Afin d’obtenir une commande adéquate des interrupteurs du convertisseur statique « onduleur demi pont » la régulation des courant injecté par le filtre a été obtenue grâce à la régulation cascade en deux boucles : -boucle de courant. - boucle de tension. Pour s’approcher au mieux de la réalité le filtre a été simulé sous MatlabSimulink et placé dans un milieu constitué d'un réseau monophasé pollué par un pont redresseur monophasé à diodes alimentant une charge RL série, les objectifs visés étant : • La compensation des harmoniques de courant généré par la charge non linéaire et de la puissance réactive absorbée par celle-ci. • La régulation de la tension du bus DC du convertisseur DC/AC. • L’observabilité du système. Les résultats obtenus sont satisfaisants ; car les objectifs visés ont été atteints Afin de développer et améliorer les performances dynamiques des systèmes de filtrage, on suggère d’étudier et d’utiliser d’autres techniques plus avancées tels que : • Utilisation des onduleurs multi niveaux pour le filtrage. • Extension de cette étude vers les filtres hybrides. • Utilisation des méthodes de commande floue adaptatives et proche la pratique par l’implémentation des méthodes théorique 68 numéroter les références BIBLIOGRAPHIE ET WEBOGRAPHIE Mohamed Koteich « Modélisation et observabilité des machines électriques en vue de la commande sans capteur mécanique » Thèse de doctorat Université Paris Saclay-Centrale supélec 2016 Zineb Hekss* , Abdelmajid Abouloifa, Salwa Echalih LTI Lab, Faculty of Sciences Ben M’sik FSBM, Hassan II « Cascade Nonlinear Control of Photovoltaic System Connected to Single Phase Half Bridge Shunt Active Power Filter » Article Abdallah Omar et Ouenda Latifa : << Étude des harmoniques et techniques de Commandes du filtre actif>> année 2018/2019 M.AYAT Yahia :<<mémoire de Master, thème : système photovoltaïque alimentant un filtre actif de puissance connecté au réseau>> année :2015. Mr Salhi Abdeslem :<< Mémoire magister, thème : filtrage actif et contrôle de puissances : application aux systèmes photovoltaïques interconnecté au réseau>>. Zineb Hekss, Abdelmajif Abouloifa,Ibtissam Lachkar :<<cascade nonlinear control of photovoltaic système connectés toi single phase half bridge shunt active power filtre>>. Mlle ABERCHANE Zainab, Mlle AHBALA Hindi :<<commande linéaire d’un filtre actif de puissance parallèle monophasé>> année 2020/2021. Solution de filtrage pour l’amélioration de l’efficacité énergétique : CIRCUTOR. article JIANHONG XU :<<filtrage actif parallèle des harmoniques des réseaux de distribution d’électricité>> année 1994. Younes ABOUELMAHJOUB :<< cours association machines – convertisseurs : Régulation de vitesse des MCC >>. https://www.researchgate.net/figure/Observateur-detat-pour-un-systeme-lineaireLa-dynamique-de-lerreur-dobservation-x_fig20_303446268 http://for-ge.blogspot.com/2015/08/londuleur.html 69
