Comparaison des performances de deux nouvelles méthodes de

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ACTA ELECTROTEHNICA
Comparaison des performances de deux
nouvelles méthodes de commande d’un
filtre actif parallèle
A. RAHMOUNI
Résumé- Ce papier est une comparaison des performances, sous les mêmes conditions de fonctionnement, de deux nouvelles
méthodes de commande. Elles sont proposées pour l’identification des courants de référence perturbateurs d’une charge non
linéaire d’un filtre actif parallèle FAP. La première se base sur le calcule des composantes fondamentales du courant de charge
CF, la deuxième et la méthode des puissances continues PC. Le but de ce travail est de mètre en évidence la fiabilité et l’efficacité
de ces deux méthodes proposées.
Mots clés : FAP ; THDi ; puissances continues; composante fondamentale.
1.
INTRODUCTION

Manuscript received July 25, 2012.
2.
STRUCTURE GENERALE DU FAP
Un filtre actif est composé de deux parties comme
le montre la figure1.
ich
is
Source
L'électricité
est
une
forme
d'énergie
particulièrement souple et adaptable. Elle peut être
convertie en une autre forme d'énergie (chaleur, énergie
mécanique, énergie chimique) et est aujourd'hui, à la
base des technologies nouvelles (informatiques,
télécommunications). Pour que ce but soit réalisé avec
de grandes performances, cette énergie doit être fournie
par une meilleure qualité c'est-à-dire une fourniture d'un
système de tensions sinusoïdales triphasées équilibrées
à l'ensemble des divers utilisateurs. Par contre
l’augmentation des problèmes de perturbations sur les
réseaux électriques, affecte de plus en plus cette qualité
d'énergie. Parmi les perturbations les plus
prépondérantes, les creux de tension, les harmoniques,
qui sont dues à la prolifération des charges non linéaires
dans les équipements industriels et domestiques et le
déséquilibre de courant et/ou de tension engendré
généralement par l'utilisation non symétrique des
charges monophasées . Des solutions divers de
dépollution des réseaux électriques l'une plus
intéressante que l'autre, ont été déjà proposées dans la
littérature. LE filtre actif parallèle est une solution plus
adaptée pour la dépollution des réseaux de distribution
d’énergie. Il compense les courants harmoniques et le
déséquilibre créés par une charge non-linéaire, donc
améliora la qualité d’énergie en offrant à d’autres
charges sensibles un bon fonctionnement. Et pour que
ce dernier fonctionne avec une grande efficacité, il faut
qu’il y ait des commandes performantes.
Notre travail est une étude comparative sous les
mêmes conditions de fonctionnement entre deux
nouvelles méthodes de commande, proposées pour
l’identification des courants de référence perturbateurs
d’une charge non linéaire du FAP. La première se base
sur le calcule des composantes fondamentales du
courant de charge CF. La deuxième et la méthode des
puissances continues PC. Le but de ce travail est de
mètre en évidence la fiabilité et l’efficacité de ces deux
nouvelles méthodes.
Lf
Charge non
linéaire
F.A.P
Vc
CONTROLE DU F.A.P
Fig. 1. Structure générale du FAP.
La partie puissance est constituée par:
un circuit de stockage d'énergie;
un onduleur destiné à répartir le courant dans les
différentes phases;
un filtre de sortie destiné à réaliser la liaison entre
le réseau et l'onduleur.
La partie contrôle-commande tient compte de:
la commande de l'onduleur;
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Volume 53, Number 4, 2012
la méthode d’identification des courants perturbés;
de la régulation de tension continue appliquée aux
éléments de stockage d'énergie.
Le filtre actif parallèle (FAP) est connecté en
parallèle avec la charge non linéaire à travers une
inductance Lf qui présente une valeur bien choisie car
sa surdimensionnement peut provoquer une réponse
lente du courant et le contraire peut provoquer des
ondulations hautes fréquence qui affectent le réseau de
distribution. Le but du FAP et d’éliminer les courants
harmonique absorbés par la charge et d’y compensé
l’énergie réactive. L’élément de stockage est un
condensateur C qui fournit la tension Vc aux bornes de
l’onduleur. Idéalement une fois chargée la tension
continue au bus de couplage ne doit pas diminuer mais
limmitée en raison de pertes de l’onduleur (la charge du
condensateur se fait à travert le FAP). Le choix de la
référence de la tension continue dépent du pourcentage
du creux tension compensé et la quantité de la
puissance réactive à injectée.
3.
Les tensions de source supposées sinusoïdales
équilibrées va,b,c, sont divisées par leur amplitude Um , il
reste donc que les parties sinusoïdales sans unité, on les
multipliant par l’amplitude Im de la composante
fondamentale nous obtenons ich.a.
Im est définie par la décomposition du courant de
charge en série de Fourrier.
Le schéma global est représenté sur la figure 2:
icha
vsa
vsb
isa
vsc
×
Umsin(ωt)
Umsin(ωt-120°)
Umsin(ωt+120°)
Puisque on veut compenser le courant réactif et les
courants harmoniques il est donc nécessaire de
conserver que le courant actif de la charge liée à la
puissance active donnée par la relation:
pa= 3Ueff.Ieff. cosφ
(2)
Avec un facteur de puissance cosφ =1.
Cette relation est vraie dans le cas où la tension au
point de raccordement est sinusoïdale équilibrée.
Dans ce cas le courant de source est donné par:
is = ich.a
(3)
Et les courants de référence sont donnés par:
iréf= ich- is = ich.r+∑ich.h- irég
(4)
irég: le courant de régulation obtenue de la puissance pav
à la sortie du régulateur de la tension continue des
onduleurs.
La tension de source et la composante
fondamentale du courant de charge sont en phase
puisque le cosφ=1, ils ont donc la même fréquence et la
même séquence.
Le calcule de ich.a ou la composante fondamentale
du courant est déterminée par:
×
×1/Um
×1/Um
ichb
isb
×
Im
icha
ichb
ichc
+
+
iréf.a
+
_
_ichc +
isc
+
iréf.b
+ i
réf.c
_
Décomposition
en série de
Fourrier
Régulation
ALGORITHME DES COMPOSANTES
FONDAMENTALES CF
Cette méthode proposée d’identification des
courants perturbateurs se base sur le calcule de ceux de
référence à partir des composantes fondamentales du
courant de charge.
On effet :
ich= icha +ichr+∑ichh
(1)
Avec:
 ich :le courant de la charge
 ich.a:le courant actif de la charge
 ich.r: le courant réactif de la charge
 ∑ich.h les courants harmoniques actifs et réactifs de
la charge
×1/Um
_
irég
Fig. 2. Schéma-bloc de l’algorithme des composantes fondamentales CF.
4.
METHODE DES PUISSANCES CONTINUES
PC
Cette méthode d'identification des courants de
référence est basée sur les puissances continues
extraites des puissances instantanées de la charge
polluante.
Notons respectivement les tensions de source
simples d'un système triphasé sans composante
homopolaire supposées sinusoïdales équilibrées va,b,c,et
les courants de la charge par (vsa, vsb, vsc) et (iLa, iLb, iLc).
La transformation de Concordia permet de
ramener ce système triphasé équilibré à un système
diphasé dont les axes sont en quadrature.
v 
1 / 2   sa 
 . vsb
3 / 2  3 / 2  
 vsc 
(1)
i 
1 / 2   La 
.
 iLb
3 / 2  3 / 2  
iLc 
(2)
vs 
v  
 s 
2 1

3 0
1 / 2
iL 
i  
 L 
2 1

3 0
1 / 2
Les puissances instantanées réelle et imaginaire
instantanées, notées respectivement p L et qL, sont
définies par la relation matricielle suivante:
 pL   vs
 q    v
 L   s
vs  iL 
.
vs  iL 
(5)
De cette relation découle l'expression suivante
donnant les courants:
iL  1 vs
i    v
 L    s
vs   pL 
.
vs   qL 
(6)
280
ACTA ELECTROTEHNICA
Avec:   vs2  vs2
Calcule de irég
Et,
Méthode CF
pL  pL  pL
(7)
qL  qL  qL
(8)
Afin de ne garder que les composantes continues
des puissances, les parties relatives aux harmoniques
doivent être filtrées. Un filtre Butterworth réalise cette
fonction avec succès.
Ainsi
nous
obtenons
les
composantes
fondamentales des courants, relatifs à ces puissances
continues, d'après la relation:
i f   1  vs
i    v
 f     s
vs   p  pav 
.
vs   q 
+
Fig 4 . Boucle de régulation de la tension continue pour les deux
méthodes.
Nous avons la fonction de transfert de la boucle
fermée:
Vc
 2 (1   p)
 2 c
Vcref
p  2c c p  c2
(9)
Avec:
pav est une puissance nécessaire pour réguler la tension
aux bornes du condensateur pour la maintenir
constante. Et nous obtenons:
0 
 1
i fa 
 i f  
2
 
3 / 2 . 
i fb   3  1 / 2
i

  f 
i fc 
 
 1 / 2  3 / 2 
(10)
Finalement les courants de référence sont donnés
par les relations suivantes :
irefa  iLa  i fa
(11)
irefb  iLb  i fb
(12)
irefc  iLc  i fc
(13)
Le schéma-bloc représenté sur la fig. 3 illustre les
différentes étapes d'identification des courants de
références.
Vcref
vsc
Régulation
abc
vβ
αβ
iα
αβ
iβ
abc
iLa
iLb
iLs
Calcul de pL et qL
vα
6.
+
Les différentes parties du FAP sont modélisées et
simulées sous MATLAB-SIMULINK avec les
caractéristiques suivantes :
 La Tension continue et de valeur Vc=850V
 La charge est non linéaire équilibré : un
convertisseur AC/DC PD3 à diodes alimentant une
charge de résistance R=10/3 Ω et d’inductance L=
60.10-3H.
TENSION DE LA SOURCE
400
+
2 Vcréf C f  1
RESULTATS DE SIMULATION ET
DISCUSSION
_
pL

Pour avoir un bon coefficient d'amortissement du
système en boucle fermée, nous avons choisi ξc =0.7.
Quand à la fréquence ωc/2π doit être choisie en fonction
des harmoniques de la tension de boucle.
200
(V)
vsb
et  c 
1
Vcréf C f  1
c 
0
-200
vα
-400
0
vβ
Calcul des composantes
fondamentales des courants
ifα
ifβ
ifc
Calcul des courants
de références
irefa
irefb
irefc
0.05
0.1
0.15
0.2
COURANT DE LA CHARGE
200
(A)
vsa
(14)
0
-200
0
0.05
0.1
0.15
Temps (s)
Fig 5 . Tension et courant avant compensation.
Fig. 3. Schéma-bloc de l’algorithme des puissances continues PC.
5.
REGULATION DE LA TENSION CONTINUE
Le schéma de régulation de la tension continue par
un correcteur de type PI classique est illustré par la
figure suivante pour les deux méthodes:
0.2
281
Volume 53, Number 4, 2012
-
Résultats de compensation :
composantes fondamentales CF
méthode
des
constatés que le FAP commandé par la méthode CF a
donné des résultats satisfaisant et légèrement mieux que
celle de la méthode PC comme nous montre le Tab.1.
COURANT INJECTE
Tab. 1. Tableau des taux de distorsion en courant pour les deux
méthodes.
200
(A)
100
THDi source (%)
CF
PC
0
-100
-200
0
0.05
0.1
0.15
0.98
0.2
1.07
THDi
charge(%)
THDi(%)
(CEI)
26.91
8.00
COURANT DE LA SOURCE
200
8.
CONCLUSIONS
(A)
100
0
-100
-200
0
0.05
0.1
0.15
0.2
TENSION CONTINUE Vc
1000
(V)
850
600
400
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Temps (s)
Fig. 6. Courants et Tension après compensation (Méthode CF).
-
Résultats de compensation (méthode PC)
COURANT INJECTE
200
(A)
100
0
-100
-200
0
200
0.05
0.1
0.15
0.2
COURANT DE LA SOURCE
REFERENCES
100
(A)
Dans ce papier on a étudié le FAP commandé par
deux nouvelles méthodes d’identification des courants
perturbateurs CF et la méthode des puissances
continues PC. Cette étude a montrée que le FAP
commandé par ces deux méthodes a donné des résultats
satisfaisant et a put améliorer la qualité d’énergie
électrique. En particulier la méthode des composantes
fondamentales CF proposée a donnée des résultats très
satisfaisant et est adaptable est faisable. Seulement elle
exige la compensation des courants réactifs, puisqu’
elle se base sur la supposition que le facteur de
puissance doit être égal à l’unité. Cette hypothèse est un
avantage pour dépolluer les réseaux électriques,
puisque la consommation de la puissance réactive
dégrade la qualité d’énergie électrique. En plus cette
méthode d’identification des courants perturbateurs
n’utilise pas des filtres passifs qui ne sont pas précis à
cent pour cent. La méthode PC a donnée elle aussi des
résultats très satisfaisant est a put détecter avec une
grande efficacité les courants perturbateurs et a
compensée toute la puissance réactive vu que le courant
après compensation et en phase avec la tension.
1.
0
-100
-200
0
0.05
0.1
0.15
0.2
2.
TENSION CONTNUE Vc
1000
3.
(V)
850
700
600
500
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Temps (s)
4.
5.
Fig. 7. Courants et Tension après compensation (Méthode PC).
7.
DISCUSSION DES RESULTAS
D’après les résultats obtenus par la simulation
faite sous les mêmes conditions de fonctionnement du
FAP suivant les deux méthodes proposées, la
méthode des composantes fondamentales CF et la
méthode des puissances continues PC ont détectées les
courants perturbateurs avec succès et elles ont bien
réduit le THDi après compensation. nous avons
6.
7.
8.
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A. RAHMOUNI
Université de Bechar
Bechar 08000, Algeria
E-mail: [email protected]