Amélioration de la Qualité de l`Energie Electrique d`une Charge

Volume 56, Number 4, 2015
165
Amélioration de la Qualité de l’Energie
Electrique d’une Charge Sensible par un
DVR- Modélisation et Simulation
Tandjaoui Mohammed Nasser, Benachaiba Chellali, Abdelkhalek
Othmane, Banoudjafer Cherif
Département de la Technologie, Faculté de la Technologie, Université de Béchar, Algérie
Abstract – Le problème de la qualité de l’énergie est un occurrence manifesté comme les perturbations de tension, de courant ou de
fréquence qui a des problèmes aux charges sensibles et critiques comme les pannes, les pertes financières significatives et peu avoir
même des défiances des équipements industriels importants. Alors, la découverte des FACTS est faite pour répondre à la question
de la qualité de l’énergie. Parmi ces derniers, le DVR est réservé pour corriger les perturbations de tension. Il est basé sur le
principe d’électronique de puissance à cause de son équipement de la conversion d’énergie (VSC), il atténue les défauts de tension
par une injection des tensions compensatrices en série avec le système d’alimentation à l’aide d’un transformateur d’injection.
Keywords – FACTS, DVR, Qualité d’énergie, Compensateur Série, Mod-Simul.
I. INTRODUCTION
Les systèmes d'alimentation actuels sont des
réseaux complexes, comprenant des grands partis tel
que la production, le transport, et la distribution de
l'énergie électrique, le souci principal des
consommateurs est la qualité de l'énergie à des divers
centres de charge à où ils sont situés.
La problématique de la qualité de l'électricité
concerne tous les acteurs en présence, qu'ils soient
gestionnaires de réseaux, utilisateurs de ces réseaux
(producteurs ou consommateurs d'électricité), ou
intervenants divers (fournisseurs d'électricité ou de
services) qu'elles soient des variations de longues
durée, ou de courte durée et d'autres perturbations [1].
Leurs conséquences ont pu s'étendre des défauts
techniques aux appareils électriques sensibles, ainsi, en
termes économiques, ils présentent des pertes
financières dues à l'arrêt de production au niveau de
l'industrie.
Le problème de la qualité de l’énergie électrique
est classé en deux groupes de perturbations:
perturbations au niveau de la fondamentale et
perturbations harmoniques. Les perturbations au niveau
de fondamental affectent l’amplitude des grandeurs
d’intérêt (tension ou courant). Ce sont par exemple
creux de tension, les coupures, les surtensions et les
déséquilibres. Les perturbations dites « harmoniques »
sont caractérisées par l’apparition de nouvelles
composantes à des fréquences multiples de la fréquence
fondamentale. En s’ajoutant à la composante
fondamentale, elles provoquent donc la distorsion des
formes d’onde des grandeurs d’intérêt [2].
Le problème de la qualité de l’énergie est un
occurrence manifesté comme les perturbations de
tension, de courant ou de fréquence qui a des problèmes
aux charges sensibles et critiques comme les pannes, les
pertes financières significatives et peu avoir même des
défiances des équipements industriels importants[4].
Phénomènes qualité de l'énergie comprend toutes les
situations possibles dans lesquelles la forme d'onde de
la tension d'alimentation (qualité de la tension) ou
courant de charge (qualité du courant) s'écartent de la
forme d’onde sinusoïdale à la fréquence nominale avec
une amplitude correspondant à la valeur efficace pour
les trois phases d'un système en triphasé [3]. Alors, la
découverte des FACTS est faite pour répondre à ces
problématiques.
Les FACTSs sont des systèmes Flexible de
Transmission en Courant Alternatif, comprenant des
équipements de protection des biens électriquement
sensibles contre les desserrages de l'alimentation
demandée [4, 11]. Le développement rapide de
l'électronique de puissance a eu un effet considérable
dans l'amélioration des conditions de fonctionnement
des réseaux électriques en performant le contrôle de
leurs paramètres par l'introduction de dispositifs de
contrôle à base des composants d'électronique de
puissance très avancés (GTO, IGBT) connus sous
l'acronyme FACTS: Flexible Alternatif Current
Transmission Systems [6, 11].
En ce papier, en visé seulement les perturbations
en tension; qui sont provoquées principalement par des
pannes électriques ou par l'excitation des grandes
charges qui exigent au démarrage un appel du courant
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très important. Dans cette circonstance, une nouvelle
technologie qui a appelé la commande de puissance à
émerger, est applicable aux systèmes de distribution
pour augmenter la fiabilité et améliorer la qualité de
l'alimentation d'énergie. Actuellement, un éventail de
contrôleurs très flexibles qui profite des composants
nouvellement disponibles de l'électronique de puissance
est le DVR (en anglais : Dynamic Voltage Restorer =
en français : Restaurateur Dynamique de la Tension)
qui est un dispositif le plus efficace et il doit être
installé aux endroits appropriés.
Le DVR est un équipement de qualité de
puissance, qui peut protéger les charges sensibles
contre la majeure partie des perturbations, c.-à-d., les
anomalies de tension liées aux défauts de système à
distance, il compense ces excursions de tension par une
injection des tensions manques en série et
synchronisées avec la tension d’alimentation par
l’intermédiaire d’un transformateur d’accouplement. Le
DVR est basé sur le principe de convertisseur de source
de tension VSC à MLI qui reçoit son énergie via le
système indispensable de stockage d’énergie, le rajout
des filtres est nécessaire pour filtrer les harmoniques
qui sont produites par les commutations d’interrupteurs
de VSC.
II. QUALITÉ DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE
Power Quality. Pourquoi utiliser l’expression
anglaise " Power Quality " ?
On rencontre un nombre de traductions françaises de
cette expression mais nulle ne fait encore l’unanimité :
qualité de l’alimentation, qualité de la tension, qualité
de l’onde, qualité de la fourniture, qualité du produit,
qualité de l’énergie électrique, qualité de
l’électricité,….il est remarquer que la traduction
littérale "qualité de la puissance" n’est jamais utilisé,
sans doute perce que l’expression originale " Power
Quality" n’a pas beaucoup de sens [5].
Le tableau I, résume les perturbations les plus
courantes dans le domaine d’électrotechnique affectant
la qualité de l’énergie électrique (Power Quality) avec
leurs origines, ainsi que les formes d’onde
représentative [10].
III. RESTAURATEUR DYNAMIQUE DE
TENSION (DVR)
Le DVR est un dispositif de la qualité de l’énergie
(figure 1) qui possède un circuit de commande pour
contrôler et surveiller la tension au point
d’accouplement commun PCC, et un système de
stockage d'énergie ayant des capacités maximale pour
injecter des tensions compensatrices à travers un
transformateur d'injection qui relié cet dispositif en
série avec le réseau.
Le DVR peut avoir une excellente exécution
dynamique et capable d’une protection critique d’une
charge sensible contre les différentes perturbations de
tension.
Une meilleure compréhension de ce dispositif est
importante pour atténuer ces problèmes de la qualité de
l’énergie, ceci nous permettrait de nous servir d'une
meilleure manière des fonctions de tels dispositifs avec
Tableau 1: Les perturbations électriques les plus courantes dans les réseaux de distribution

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des techniques efficaces de commande [8].
Le DVR est un dispositif qui injecte une tension
absente et dynamiquement commandée Vinj(t) en série
dans le système de distribution qui contient des charges
que l’on veut protéger contre les défauts néfastes
influent la tension de charges Vch(t), comme les creux
de tension et les surtensions qui sont invisibles par les
charges.
Quand le DVR remarqué une déformation au
niveau de la tension (Figure 1(a)), le système de
contrôle fait une comparaison entre la tension nominale
et la tension perturbée afin d'obtenir une tension
appropriée (Figure 1(b)) à la tension perdue qui sera
injectée par le DVR pour maintenir la stabilité de la
tension de charge (Figure 1(c)), cette différence de
tension exige une certaine quantité de la puissance
active et réactive de DVR [7] [8].
Fig. 1. Schéma de principe d’un DVR
Fig. 2. Diagramme vectoriel de la compensation de DVR
La stratégie de commutation de VSC est basée sur
la technique de la commande MLI qui offre la
simplicité et bonne réponse. La compensation des
anomalies de tension peut être limitée par un certain
nombre de facteurs, y compris l'estimation de puissance
active de DVR, les conditions de charge, et les types de
défaut. La stratégie de commande devrait un pouvoir de
compenser n'importe quelles perturbations de tension.
La figure 2 montre un diagramme vectoriel pour
compenser les défauts en tension [9]. Au début, le
vecteur de tension de charge Vc est le même que le
vecteur Vspre-défaut, et est supposé pour être 1.0p.u. si
la tension perturbée, le vecteur réel de la tension de
source Vs est déplacé à Vs_défaut Pour reconstituer le
vecteur de tension de charge Vc, un vecteur de tension
injecté Vinj est fourni par le DVR.
IV. MODÉLISATION DE DVR
La modélisation d’un DVR exige une
configuration mathématique équivalente pour mesurer
le défaut de tension dans le système de distribution,
Modélisation du flux de puissance
Afin d'opérer à l'état d’équilibre, le DVR injecte
une tension sur la quadrature de la fin de la ligne de
tension pour régler le flux de puissance actif.
Cependant, le DVR est un contrôleur bien plus souple
parce qu'il ne tire pas la puissance réactive du système à
C.A.; il a ses propres dispositions de puissance réactive
sous forme de condensateur de C.C. Cette
caractéristique rend le DVR capable de régler le flux de
puissance actif et réactif dans des limites imposées par
son estimation, la figure 3 représente un schéma
typique d’un DVR et son circuit équivalent [6].
Le modèle de flux de puissance de DVR est basé
sur le concept d'une source de tension reliée en série.
( )
δδ sincos jVV
DVRDVR
+=
(1)
L’amplitude de tension et l’angle de phase δ du
modèle de DVR sont ajustés en utilisant la méthode
numérique pour satisfaire un flux de puissance actif et
réactif indiqué à travers le DVR. Les limites maximum
et minimum existeront pour l’amplitude de tension
|VDVR|, ce qui est une fonction de l'estimation de
condensateur de DVR. D'autre part, l'angle de phase de
tension δ peut prendre n'importe quelle valeur entre 0 et
2π radians [6].
Fig. 3. (a) Schéma typique d’un DVR, et (b) son circuit équivalent
Quand la tension du système est trouble, le DVR
injecte immédiatement une tension VDVR en série par
l’intermédiaire d’un transformateur d'injection de sorte
que l’amplitude désirée de la tension de charge Vch
doit être maintenue.
La tension injectée par le DVR peut être écrite:
schch chDVR
VIZVV −
+=
(2)
Le courant de charge Ich est donné par :
+
=
ch
chch
ch
VQjP
I*
(3)

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IV.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. Cette
méthode est basée dans le calcul sur des repères
simplifiés comme le repère de Park, c.-à-d., le passage
de référentiel abc au référentiel dq de Park.
Cette méthode d’identification offre l’avantage de
compenser avec simplicité, précision, rapidité et faible
retard de rétablissement toutes les perturbations en
tension, et nécessite une bonne connaissance du réseau
électrique qui est basée sur le calcul des puissances
instantanées dans le domaine temporel.
Le modèle de diviseur de tension montré dans la
figure 4, peut être employé pour mesurer les tensions
perturbées sur la prétention que le courant de défaut Id
est beaucoup plus grand que le courant de charge Ic
pendant les défauts [6].
Fig. 4. Modèle d’un système ayant un DVR pour mesurer le défaut
de tension
PCC est le point d’accouplement de défaut et de la
charge, où la tension et l'angle de phase peuvent être
obtenus instantanément. Vs est la tension
d’alimentation de la source, Zd et Zs sont des
impédances respectivement de défaut et de la source
[6].
E
ZZ Z
V
ds
d
d
+
=
(4)
( )
+
+
−
==∆
ds
d
s
d
d
dRR XX
R
X
Varctanarctan
arg δ
(5)
Si Ps et Pch sont respectivement la puissance
d'entrée de la source et la puissance de charge, et
pareillement, si Qs et Qch sont respectivement la
puissance réactive d'entrée de la source et de charge [3],
alors:
∑+−−=−=
iiiCiSchSdvr IVIVPPP )(cos)(cos3
δαϕϕ
(6)
∑
+−−=
−=
iiiCi
SchSdvr IVI
VQQQ )(sin
)(sin3 δα
ϕϕ
(7)
Où i=1, 2, 3 est une opération minimum de
puissance
IV.2. Modélisation de VSC
Pour écrire les équations d’évolution de
modélisation de VSC on va considérer que ce
convertisseur se comporte à l’entrée comme un
générateur à caractère de source de tension, et en sortie
comme un récepteur de source de courant en supposant
que le générateur et le récepteur sont décrits par des
systèmes d’équations différentielles linéaires.
L’extension au cas où ces équations seraient non
linéaires ne pose pas des problèmes à priori. Mais
évidemment dans ce cas, la résolution de ces équations
pour suivre l’évolution temporelle des variables
nécessite le recours à une intégration numérique [6].
la transformation linéaire, Tαβγ, est considérée
comme suit :
−
−
−
=
=
xc
xb
xa
xc
xb
xa
T
xc
xb
xa
2/
1
2/
12
/
1
2/
3
2/
30
2
/
12
/1
1
3
2
αbγ
(8)
La transformation de Tαβγ a une propriété
intéressante additionnelle, qui devient claire quand nous
tenons compte de la condition:
00 =⇒=++ xyXXX
cba
(9)
Chaque fois que la contrainte d’équation (9) est
significative pour un système tridimensionnel, la
transformation du même rang Tαβγ nous permet de
décrire le même système dans un espace
bidimensionnel sans n'importe quelle perte
d'information [7].
Nous pouvons donc définir la prétendue de la
transformation de αβ comme suit :
−
−−
= =
xc
xb
xa
xc
xb
xa
T
x
x
2/32/
30
2/12
/11
3
2
αb
b
α
(10)
Et son inverse est:
=
−−
−= =
b
b
b
b
b
α
αbγαbγ
x
x
T
x
x
o
x
x
T
xc
xb
xa
TT
2/32/1
2/32/1
01
3
2
(11)
Il est très utile de visualiser l'effet de l'application
de Tαβ à notre système triphasé qui présente trois
signaux de tension sinusoïdaux et symétriques:
)3/2(sin
)3/2(sin
)(sin
πω
πω
ω
+=
−=
=
tUe
tUe
tUe
Mc
Mb
Ma
(12)
Il est facile de vérifier cela:
),cos(
2
3
),sin(
2
3
tUe
tUe
M
M
ω
ω
b
α
=
=
(13)
La formulation mathématique de la transformation
de Park est donnée par la matrice suivante:
−
=
=
b
α
θθ
θθ
b
α
x
x
x
x
T
xq
xd
dq
cossin
sincos
(14)
D' où, θ = ωt. Alors, la matrice inverse de (Tdq)-1 se
trouve comme suit:
−
=
=
xq
xd
xq
xd
T
x
x
T
dq
θθ
θθ
b
α
cossin
sincos
(15)

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L’électronique de régulation et de commande
détermine, à partir des consignes imposées de
l’extérieur et des mesures prélevées sur le générateur et
le récepteur, la séquence de conduction et de blocage
des différents interrupteurs et élabore les signaux
logiques nécessaires à leur commande en fonction du
type de convertisseur utilisé.
La commande MLI consiste à choisir une
fréquence de commutation pour les interrupteurs, et
détermine les intervalles de conduction de ces
interrupteurs pour permettre de régler de manière
indépendante les valeurs moyennes de chacune des
tensions sur chaque période de commutation.
IV.3. Modélisation de filtre
Avant de placer le filtre, il est nécessaire de
modéliser le réseau électrique afin de pouvoir définir
les interactions entre le filtre et le réseau de distribution
électrique basse tension. On rajoute une inductance en
série avec le réseau afin de protéger l’onduleur si un
court-circuit se produit au niveau de la connexion au
réseau [6].
Fig. 5. Représentation schématique d’un filtre LC
L’inductance du filtre qui est calculée par la
relation entre les valeurs d’inductance et de
condensateur constituant ce filtre dépend de la pulsation
de coupure Wc tel que:
2
1
C
W
LC =
(16)
Afin de limiter les effets des résonances, on place
une résistance d’amortissement en série avec le
condensateur, ainsi de maximiser la qualité du courant
tout en respectant les contraintes suivantes:
La puissance dissipée par la résistance doit être
négligeable inférieure à 1W,
Le facteur de puissance de l’ensemble onduleur et
filtre doit être supérieur à 0,93
La puissance capacitive à absorber par l’onduleur
à une pulsation W donnée sera [6]:
)
1
1..
2
2
K
WCEQ
W
−〈=
(17)
Tel que, K est le rapport entre la pulsation W et la
pulsation de coupure du filtre Wc:
W
W
KC =
(18)
Ainsi, EW représente la valeur efficace de
l’harmonique de tension correspondant à W. Alors, à
partir d’équation (17), en peut obtenir la valeur
maximum de la capacité qui sera [6]:
−
=
2
2
0
2
0
1
.K
K
WE Q
C
MAX
(19)
V. RESULTATS DES SIMULATIONS
Afin de confirmer l’importance de la
compensation des perturbations au niveau de tension
qui influent de façon significatif sur la qualité de
l’énergie électrique des charges sensibles, le logiciel
MATLAB dont l’environnement SIMULINK ouvre un
grand portail dans le domaine d’exécution de plusieurs
essais avec la simulation d’un DVR incorporé dans un
système triphasé de basse tension d’amplitude de 220√3
comme valeur efficace, et de fréquence de 50Hz. Ce
système alimente une charge inductif RL (R=40Ω,
L=1e-5H).
Fig. 6. Modèle de simulation d’un DVR
V.1. Creux de tension et coupure brève
La Figure 7, présente un creux et coupure brèves
de la tension d’alimentation. A l’instant t=0.02s
l’amplitude de la tension de source Vsource est réduite
de 35% par rapport à la tension fondamentale jusqu’à
l’instant t=0.08s, et dés l’instant t=0.12s notre système
provoqué par une coupure de 0.02s, mais la tension de
la charge est gardé toujours sont propre amplitude
Vcharge, ce qui montre le pouvoir de compensation de
DVR, qui injecte une tension en série est synchronisé
Vdvr avec celle manquante par la source.
V.2. Surtension
Analyse de la figure 8, déduit que dés l’instant
t=0.07s, le DVR commence à compenser et corriger
parfaitement les surtensions produits sur la tension
d’alimentation Vsource, sur le point de raccordement
jusqu’à l’instant t=0.14s, en injectant à travers le
transformateur des tensions compensatrices Vdvr qui
sont bien synchronisées et en opposition de phase avec
la tension de source. Alors, cet essai indique que la
charge est bien protégée contre les surtensions et gardée
toujours sont propre forme d’amplitude Vcharge.