Commande d`un filtre actif triphasé shunt par logique floue

SETIT 2005
3rd International Conference: Sciences of Electronic,
Technologies of Information and Telecommunications
March 27-31, 2005 – TUNISIA
Commande d’un filtre actif triphasé shunt par logique
floue
A. Sahbani , M. Labben-Ben Braiek , M. A.Dami et M. Jemli
[email protected]
[email protected]
[email protected]
CEREP (Centre de Recherche en Productique), É.S.S.T.T.
5, Avenue. Taha Hussein, 1008 Tunis, Tunisia
Tel: [phone], Fax: [phone]
Résumé: On présente dans cet article, l’étude et la comparaison de deux stratégies de commande appliquées à un filtre
actif shunt triphasé. Ces deux stratégies de commande sont la commande directe et la commande indirecte de courant,
basées sur un régulateur de la logique floue, élaboré sous forme de règles linguistiques.
La stratégie indirecte de commande du courant est utilisée pour générer les courants de source de références du
compensateur à partir d’une comparaison avec les courants de lignes mesurés, alors que dans la commande directe, les
courants de références du compensateur sont générés par soustraction des courants de la charge triphasés des courants
de ligne de références. Les critères de comparaison choisis sont les régimes transitoires et le Taux de Distorsion
Harmonique dans le courant de ligne. Une série de simulations est présentée et discutée pour montrer les performances
des deux stratégies de commande.
Mots clés : Filtre Actif Shunt (FAS), Commande Courant Indirecte (CCI) , Commande Courant Directe (CCD),
Régulateur de la logique floue (RLF) , Taux de Distorsion Harmonique (THD).
1. Introduction
Le développement de l'électronique de puissance et
l'augmentation des puissances mises en jeu ainsi que la
souplesse de l’utilisation des semi-conducteurs, a
encouragé les électrotechniciens à entreprendre
d’importantes associations des convertisseurs statiques
de puissance à des machines électriques.
Ces dispositifs sont généralement des charges non
linéaires, qui absorbent un courant non sinusoïdal et se
comportent comme des générateurs d’harmoniques. De
plus, elles consomment parfois de l’énergie réactive.
Par conséquent, la forme d'onde du courant de la
source perd sa forme sinusoïdale et on obtient
également une dégradation du facteur de puissance. Par
ce fait, les distributeurs d’énergie électrique se voient
donc obligés d'imposer des normes et de se protéger
contre ces perturbations. Une des solutions utilisées est
le filtrage passif : il consiste à piéger les courants
harmoniques dans des circuits LC, accordés sur les
rangs d'harmoniques à filtrer. Les rangs 5 et 7 sont les
plus couramment filtrés. Cependant, cette solution est
d'une efficacité moyenne [1]-[2].
Les progrès remarquables, réalisés au cours des
dernières années, dans le domaine des dispositifs
électroniques de puissance, ont permis de concevoir
des dispositifs d'élimination des harmoniques auto-
adaptables appelés compensateurs actifs
d’harmoniques, ou encore filtres actifs. Ces filtres
actifs ont pour principal objectif de compenser les
courants harmoniques injectés dans le réseau.
Plusieurs types de commandes des filtres triphasés
shunts ont été présentés dans la littérature, tels que la
commande non linéaire basée sur le mode glissant
[3][10], la commande basée sur le feedback linéarisant
[4],[5], la commande par le régulateur PI[2][6] et celle
par la logique floue[7]-[8].
Dans cette étude, nous proposons deux stratégies de
commande appliquées à un filtre shunt triphasé [11].

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Ces deux stratégies de commande de courant sont la
commande directe et la commande indirecte de courant
basées sur un régulateur de la logique floue, élaboré
sous forme de règles linguistiques.
2. Principe du filtre actif shunt
Ce filtre est connecté en parallèle sur le réseau. Le
principe du filtre actif parallèle consiste à générer des
courants en opposition de phase aux courants
harmoniques existant sur le réseau [12] et crées par les
charges non linéaires (Figure 1) , tels que
iLk = iSk + iCk (2.1)
Avec :
iLk : courant de la charge de la phase k
iSk : courant de source de la phase k
iCk : courant de compensation de la phase k
De cette manière, le courant fourni par la source
d'énergie reste sinusoïdal. Ce filtre actif a une structure
parallèle, constituée de deux blocs: la partie puissance
et la partie contrôle-commande. [13]
Figure 1. Principe du filtre actif shunt
Le schéma de la figure 1 comporte le réseau
d’alimentation triphasé sinusoïdal, la charge non
linéaire symbolisée par un pont redresseur à diodes,
l’onduleur à structure tension, construit à base de
transistors IGBT.
Le raccordement au réseau de la charge polluante et
du compensateur s’effectue par l’intermédiaire de
l’impédance de court-circuit, représentée par
l’inductance Ls et la résistance Rs. Le pont redresseur à
diodes débite sur une charge (RL). La constante de
temps du dipôle inductif sera choisie assez grande, de
façon à assurer un lissage suffisant du courant redressé
IL et empêchant le fonctionnement du redresseur en
régime discontinu.
La commande de l’onduleur à modulation de largeur
d’impulsion (MLI) met en œuvre d'abord un régulateur
qui détermine le courant de référence de l'onduleur
(modulatrice) à partir de l'écart entre le courant mesuré
et sa référence.
Par la suite, cette dernière sera comparée avec un signal
triangulaire (porteuse ). La sortie du comparateur pilote
l'ordre de commande des interrupteurs.
3. Principe du contrôleur par la logique
floue
Les étapes principales à suivre lors de la conception
d'un réglage par logique floue sont représentées par la
figure 2 : il s’agit d’étudier le système à régler et en
faire une description adéquate, puis déterminer la
stratégie de réglage et l’implémenter. Il est en général
indispensable de modifier cette stratégie afin de trouver
un comportement convenable.
Figure 2. Procédé de réglage par logique floue
Le contrôleur flou reçoit en entrée une observation du
système pour déduire une commande à appliquer en
fonction d’une table de décision. Ce contrôleur flou
proposé a deux entrées et une sortie. Il peut être
présenté de différentes façons, mais en général, la
présentation adoptée se divise en trois parties : la
fuzzification, le système d'inférence floue et la
défuzzification.[14]
4. Commande directe
4.1 Principe
Dans la commande directe, on mesure la tension
Vdc du filtre actif. Cette tension mesurée est comparée
à une tension de référence V*dc. On introduit à l’entrée
d’un régulateur de la logique floue l’erreur de
comparaison entre les tensions aux bornes de la
capacité du filtre et celle de référence. A la sortie du
régulateur, l’amplitude maximale du courant de
référence de ligne I*sp peut être alors mesurée. Ce
courant I*sp régularise la puissance demandée par la
charge et les pertes dans le filtre actif.[3]
L’extraction des courants harmoniques de la charge
(iLha, iLhb, iLhc) se fait à partir des courants ( iLa, iLb, iLc).
La soustraction de ces courants harmoniques des
courants de ligne de référence (i*sa, i*sb, i*sc), permet
de calculer les courants de référence du filtre actif (i*ca,
i*cb, i*cc). Dans cette commande, les courants triphasés
du filtre actif (i*ca, i*cb, i*cc) sont considérés comme
étant les courants de référence iréf et les courants du
filtre actif (ica, icb, icc) représentent les courants mesurés
qu’on note iact comme le montre la figure 3.
Etude et description
du s
y
stème à ré
g
le
r
Détermination de la
stratégie de réglage
Implémentation
Test sur
l’im
p
lémentation
Modification de l
a
stratégie de réglage

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La commande est constituée par deux boucles de
régulations : la boucle de régulation tension et celle de
régulation courant.
Figure 3. Schéma bloc de la commande directe
4.2 Boucle de régulation tension
La stratégie du contrôle par logique floue est
représentée par la figure 4. Elle consiste à comparer la
tension Vdc mesurée avec la tension de référence V*dc.
Cette erreur e est considérée comme étant une première
variable d’entrée, tandis que sa dérivé ∆e est
considérée comme une deuxième variable d’entrée,
telle que :
e(k)= V*dc(K) - Vdc(K) (3.1)
∆e(k) = e(k) - e(k-1) (3.2)
Figure 4. Schéma de principe d’un contrôleur flou
Sept niveaux flous sont définis pour e et ∆e, qui sont
répartis comme suit : négative grand (NG), négatif
moyen (NM), négatif petit (NP), zéro (ZE), positif
petit (PP), positif moyen (PM), et positif grand (PG).
Chaque variable de l'entrée est assignée à une
valeur de l'adhésion à chaque ensemble flou, basée sur
la fonction de l'adhésion correspondante. Les fonctions
d’appartenance sont représentées par les figures 5 et 6.
Figure 5. Fonction de répartition pour (e) et ( ∆ e)
Notons ici que la sortie du régulateur flou est une
fonction de répartition triangulaire qui a cinq
ensembles flous : zéro (ZE), positif petit (PP), positif
le moyen (PM), positif grand (PG), et positif grand
(PTG). [9], [14], [15]
Figure 6. fonction de répartition pour la sortie
La stratégie de commande utilise une matrice
d’inférence (tableau 1).
Tableau 1. Base de règles gérant la sortie en fonction de e et
∆ e
4.3 Boucle de régulation tension
A l’entrée du régulateur courant, on introduit deux
grandeurs: l’erreur du courant ea de la phase a (resp b
et c) et la variation de l’erreur courant ∆ea (resp ∆eb et
∆ec). Pour ce régulateur nous avons considéré trois
ensembles représentés par des fonctions
d’appartenances sous formes triangulaires, qui sont
répartis comme suit : négative grand (NG), zéro (ZE) et
positif grand (PG). Les figures 7 et 8 montrent la
fuzzification des grandeurs d’entrées et de sortie. [16]-
[17]
Figure 7. Fonction d’appartenance de e1 et de ∆ e1
µ(I*sp)
I*s
PTG
PG
PM
PP
ZE
1
0.5
0
ea
µ(ea), µ (∆ea)
PG
N
G
1
0
-1
Bloc
fuzzif-
ication
Système
d’inférence
floue
Bloc
Défuzzif-
ication
Base des rè
g
les floues
Variable linguistique
I*sp
+
-
V*dc
Vdc
d
dt
e(k)
∆e(k)
µ (e), µ (∆e)
PP
ZE
N
M
N
G
10.5 0
-0.5
-1
N
P PM PG
e

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Figure 8. Fonction d’appartenance de icea
La stratégie de commande utilise une matrice
d’inférence (tableau 2).
Tableau 2. Base de règles gérant la sortie en fonction de e1
et ∆e1
5. Synthèse de la commande indirecte du
courant
La commande indirecte du filtre actif shunt est
illustré par la figure 9.
La valeur maximale de I*sp, est mesurée en contrôlant
la tension Vdc aux bornes du condensateur.. L’erreur
entre Vdc et V*dc à la sortie du comparateur est suivie
d’un régulateur de la logique floue. [18]
Les courants de références (i*sa, i*sb, i*sc) sont
déterminés à partir de I*sp par les relations suivantes :
i*sa = I*sp sin(ωt) (5.1)
i*sb = I*sp sin(ωt - 2π/3) (5.2)
i*sc = I*sp sin(ωt + 2π/3) (5.3)
Figure 9. schéma bloc illustrant la commande indirecte du
filtre actif shunt
6. Résultats de simulation
Les résultats de simulation pour les deux
techniques de commande permettent de mettre en
évidence les performances de chacune des deux
méthodes de contrôle.
Les figures 12 à 20 illustrent la réponse du filtre
triphasé shunt en régime permanent et transitoire :
nous présentons notamment la tension de la source
Vsa, le courant de la source isa , le courant du filtre ica ,
le courant consommé par la charge iLa , la tension aux
bornes du condensateur Vdc , le taux de distorsion
harmonique THD du courant de ligne et le courant de
la charge.
6.1 Commande directe
Les courbes des figures 10 à 17 représentent la
réponse du filtre dans le cas de la commande directe.
Figure 10. courant de la source
Figure 11. courant à travers la charge
Figure 12. courant du filtre
Figure 14. analyse spectrale du courant de la charge
( THD=30 %)
ife
µ
(i cea)
PG
EZ
N
G
1
0
-
1

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Figure 15. analyse spectrale du courant de la source
( THD=5 %)
Figure 16. allure de la tension Vdc
Figure 17. analyse temporelle du courant de la source
pendant le régime transitoire
6.2 Commande indirecte par régulateur de la
logique floue
Les courbes des figures 18 à 24 représentent la
réponse du filtre dans le cas de la commande indirecte.
Figure 18. courant de la source
Figure 19. courant à travers la charge
Figure 20. courant du filtre
Figure 21. analyse spectrale du courant de la charge
( THD=30 %)
Figure 22. analyse spectrale du courant de la source
( THD=2.5 %)
Figure 23. allure de la tension Vdc
Figure 24. analyse temporelle du courant de la source
pendant le régime transitoire
6.3 Interprétation et comparaison des
performances
Les Figures 10,11 et 12 montrent l'analyse
temporelle du courant de la source (isa), du courant de
la charge non linéaire (iLa), ainsi que celui injecté au
réseau (ica) pour la commande directe, pour la phase
a. Ces mêmes courants relatifs à la commande
indirecte sont illustrés par les figures 18,19 et 20.
Ces figures prouvent que le courant du réseau suit
sa référence sinusoïdale d’une façon optimale pour la
commande indirecte. Les figures 17 et 24 montrent
que ce courant reste en phase avec la tension de la
source pour les deux types de commande. Cependant,
le courant côté réseau s’accroche avec la tension
correspondante, atteint sa valeur nominale plus
rapidement et présente un pic inférieur pour la
commande directe que celle indirecte.
A partir de l’analyse spectrale du courant de la source,
et pour un courant de charge présentant un THD de