Soutenance mémoire
L’utilisation de charges non linéaires, telles que des redresseurs à diodes ou thyristors, des alimentations à découpage, etc…, provoque l’injection d’une énorme quantité d’harmoniques de courant dans les réseaux de distribution. Ces harmoniques provoquent des distorsions de la forme de courant de la source ce qui conduit à des pertes additionnelles dans les transformateurs et dans les capacités des lignes, et des défauts de fonctionnement d’équipements électroniques sensibles. Le fonctionnement normal de tous les producteurs et tous les consommateurs de l’énergie électrique réside dans la supposition que le courant et la tension du système triphasé soient sinusoïdaux et symétriques, par conséquent, il est nécessaire de réduire les harmoniques en dessous de 5% comme spécifié dans la norme harmonique IEEE519 [1]. Le respect des normes de la qualité de l’énergie électrique impose, si une charge non linéaire est connectée au réseau électrique, de concevoir un système qui restreint la dissipation des composantes harmoniques. Pour pallier aux problèmes de pollution harmonique dans les réseaux électriques de distribution plusieurs solutions ont été proposées pour limiter les harmoniques de courant injectés dans le réseau par des charges non linéaires, parmi elles : Les filtres passifs, qui sont souvent appelés filtres piégeurs d’harmoniques, ont été utilisés pour éliminer les harmoniques de courants et améliorer le facteur de puissance [2]. Malgré sa simplicité et son faible coût, le filtre passif est lié aux variations de l’impédance de la source et peut mener à une résonance non voulue avec le réseau. De plus, ce type de filtre présente une non- adaptabilité aux variations de la charge et du réseau. Grâce aux progrès remarquables réalisés au cours des dernières années dans le domaine d’électronique de puissance et l’électronique numérique, ont permis de concevoir des dispositifs de filtrage modernes des harmoniques auto-adaptables appelés filtrage actifs. Le but de ces filtres est de générer soit des courants, soit des tensions harmoniques de manière à compenser les perturbations responsables de la dégradation de la qualité d’énergie. Le filtre actif parallèle comporte deux fonctions principales ; une fonction d’identification de courants harmoniques et une fonction de commande d’onduleur pour injecter les courants de compensation.
La distorsion harmonique courant de réseau électrique est générée principalement par les charges non linéaires connectées au réseau (tels que les convertisseurs statique, les fours à arc, etc.). Tous ces appareils possèdent la particularité d’absorber des courants non sinusoïdaux et donc d’introduire dans les lignes électriques des pollutions harmoniques en courant. En Algérie, ce problème n’est pas pris en charge et risque dans quelques années d’avoir de gros problèmes liés aux perturbations harmoniques. Il est donc nécessaire de chercher les solutions les plus adéquates pour réduire et limiter la pollution harmonique des réseaux électriques.
ETAT DE L’ART DES FILTRES ACTIFS DE PUISSANCE
H.SASAKI ET T. MACHIDA 1971
Les filtres actifs de puissance ont été étudiés pour la compensation d’harmoniques dans les réseaux de puissance industriels depuis le principe de compensation proposé par H. Sasaki et T. Machida en 1971. Une nouvelle méthode d’élimination des courants harmoniques est proposée, qui est basée sur le principe de la compensation de flux magnétique dans un noyau de transformateur. Au moyen de la nouvelle méthode, les harmoniques anormaux ainsi que les harmoniques normaux peuvent être efficacement traitées.
GLORIA Y ET E.C. STRYCULA 1976
Ont présenté une famille de filtres actifs parallèles et séries, et ont établi le concept de filtres actifs à base d’onduleurs MLI constitués de transistors de puissance. Cependant, ces filtres actifs n’ont pu être réalisés dans des systèmes réels vu que les dispositifs à forte puissance et à fréquence élevée étaient non disponibles lors des années 70. Ces filtres ont été développés pour éliminer les harmoniques générés par les convertisseurs utilisés dans les systèmes de transmission de courant continu en haute tension (HVDC). Toutefois, à cette époque la technologie des interrupteurs d’électronique de puissance ne permettait pas un développement applicatif significatif.
ARRILLAGA, J 1983
L’auteur a appliqué le concept d’injection d’un courant modulé de forme spécifiquement appropriée au secondaire du transformateur d’alimentation. Ceci permet en effet d’aboutir à un courant de ligne à plusieurs niveaux, ce qui diminue considérablement son contenu harmonique.
H. AKAGI 1986, 1996
La stratégie de commande de filtres actifs de puissance à l’aide de dispositifs de commutation est proposée sur la base de la théorie de la puissance réactive instantanée. Cette démarche vise à d’excellentes caractéristiques de rémunération dans les états transitoires ainsi que des états stables. Le premier filtre actif parallèle de 800 kVA, composé d’un commutateur de courant à MLI et thyristors GTO, a été installé pour la compensation d’harmoniques Par la suite, de nombreux onduleurs de puissance commandés en MLI ont été développés pour des applications de filtrage actif. En conséquence, les filtres actifs parallèles ont commencé à être commercialisés et installés à travers le monde et surtout au Japon, où en 1996, il y avait plus de cinq cents filtres actifs parallèles installés avec des puissances allant de 50kVA à 2MVA.
V. ABURTO ET M. SCHNEIDER 1997
Au cours de l’année 1997, la topologie multiniveaux a débuté aussi pour des applications de filtrage actif. L’auteur a présenté un filtre actif avec un onduleur de tension trois niveaux clampé par le neutre. Ce dernier pouvait compenser les courants harmoniques et la puissance réactive dans des systèmes de distribution moyenne tension. Aussi la référence [36] présente les principes de fonctionnement et critères de conception pour les deux circuits de puissance et de commande. Enfin, la viabilité du système proposé est représentée avec la simulation sous Matlab. Dès lors, l’intérêt aux filtres actifs multiniveaux, en vue de leur application industrielle en moyenne et forte puissance, n’a cessé de s’intensifier.
SVENSSON, JAN ET OTTERSTEN, ROLF 1999
La référence [38] analyse le contrôle de courant d’un onduleur connecté au réseau. Pour cela, il utilise un correcteur PI en repère tournant avec un gain de type Dead Beat. Par la suite, cette même structure de contrôle a été utilisée pour compenser les creux de tension dans un dispositif parallèle puis série.
INGRAM, DAVID ME ET ROUND, SIMON D.A 1999
L’auteur propose l’utilisation du correcteur à Hystérésis numérique, un correcteur rapide, simple et robuste mais qui requiert des fréquences d’échantillonnage élevées pour se rapprocher des conditions de fréquence libre liées aux modes glissants idéaux.
SINGH, BHIM ET AL-HADDAD, KAMAL 1998
Dans cet article, un nouveau système de commande d’un filtre actif de puissance triphasée (APF) est proposé d’éliminer les harmoniques, pour compenser la puissance réactive et le courant du neutre. L’onduleur de tension est généralement préféré à cause de son meilleur rendement, de son moindre coût et de son volume plus réduit (si l’on compare le condensateur et l’inductance du côté continu). Par ailleurs, les modules à IGBTs disponibles actuellement sur le marché sont bien adaptés aux onduleurs de tension car en général une diode en antiparallèle est rajoutée pour chaque IGBT. Le commutateur de courant a quant à lui besoin de mettre en série avec chaque IGBT une diode anti-retour. De plus, un aspect vient clore provisoirement le choix : le commutateur de courant ne peut pas être utilisé avec des topologies multiniveaux classiques.
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Table des matières
INTRODUCTION GENERALE
I ETAT DE L’ART DES FILTRES ACTIFS DE PUISSANCE
I.1 INTRODUCTION
I.2 ETAT DE L’ART DES FILTRES ACTIFS DE PUISSANCE
I.2.1 H.SASAKI ET T. MACHIDA 1971
I.2.2 GLORIA Y ET E.C. STRYCULA 1976
I.2.3 ARRILLAGA, J 1983
I.2.4 H. AKAGI 1986, 1996
I.2.5 V. ABURTO ET M. SCHNEIDER 1997
I.2.6 SVENSSON, JAN ET OTTERSTEN, ROLF 1999
I.2.7 INGRAM, DAVID ME ET ROUND, SIMON D.A 1999
I.2.8 SINGH, BHIM ET AL-HADDAD, KAMAL 1998
I.2.9 YUAN, XIAOMING ET ALLMELING, JOST 2000
I.2.10 CANO, JOSE MANUEL ET ORCAJO, GONZALO ALONSO 2001
I.2.11 BOLLEN, MATH HJ ET ZHANG, L. D 2003
I.2.12 CHANG, GARY W. ET SHEE, TAI-CHANG 2004
I.2.13 MATTAVELLI, PAOLO 2005
I.2.14 JIN, TAOTAO, WEN, JUN, ET SMEDLEY, KEYUE 2005
I.2.15 BENMEDDOUR, M. ET BOUMAHRAZ, M 2007
I.2.16 RACHMILDHA, TRI D 2008
I.2.17 OUNEJJAR, YOUSSEF ET AL-HADDAD, KAMAL 2009
I.2.18 HOOSHMAND, RAHMAT ALLAH 2011
I.2.19 RAHMOUNI, A 2012
I.2.20 MESBAHI, NADHIR ET OUARI, AHMED 2014
I.3 CONCLUSION
II ETUDE DE LA POLLUTION HARMONIQUE
II.1 INTRODUCTION
II.2 OBJECTIFS
II.3 DIFFERENTS TYPES DE PERTURBATIONS ELECTRIQUES
II.3.1 Creux de tension & coupures brèves
II.3.2 Fluctuations de tension & flicker
II.3.3 Déséquilibre de tension
II.3.4 Surtensions transitoires
II.3.5 Harmoniques & inter-harmoniques
II.4 PERTURBATIONS HARMONIQUES
II.4.1 Nature physique du phénomène
II.4.2 Identification des harmoniques
II.4.3 Définitions & aspects théoriques des phénomènes
II.4.3.1 Harmoniques d’un signal périodique
II.4.3.2 Décomposition en série de Fourier
II.4.3.3 Analyse d’un signal
II.4.3.4 Pourcentage d’harmoniques
II.4.4 Harmoniques de courant & de tension
II.4.4.1 Courant harmonique
II.4.4.2 Tension harmonique
II.4.4.3 Loi d’Ohm généralisée & impédance harmonique
II.4.5 Distorsion harmonique
II.4.5.1 Taux harmonique de rang h : THH
II.4.5.2 Taux global de distorsion harmonique : THD
II.4.5.3 Taux de distorsions pondérées : TDP
II.4.6 Facteur de puissance
II.4.7 Harmoniques dans un système triphasé
II.4.7.1 Système triphasé équilibré
II.4.7.2 Système triphasé déséquilibré
II.4.8 Interharmoniques
II.4.8.1 Charges non linéaires produisant les interharmoniques
II.4.8.2 Signaux de télécommande de 175 [Hz] sur les réseaux de distribution
II.5 ORIGINE DES PERTURBATIONS HARMONIQUES
II.5.1 Appareils de production, de transport & de distribution
II.5.2 Secteur industriel
II.5.3 Secteur tertiaire
II.5.4 Secteur domestique
II.6 CONSEQUENCES DES PERTURBATIONS HARMONIQUES
II.6.1 Échauffement
II.6.2 Interférences avec les réseaux de télécommunication
II.6.3 Excitation des résonances
II.6.4 Mauvais fonctionnement pour les dispositifs électriques
II.6.5 Autres effets
II.7 NORMES & REGLEMENTATION
II.8 CONCLUSION
III STRATEGIES DE DEPOLLUTION DES HARMONIQUES
III.1 INTRODUCTION
III.2 SOLUTIONS TRADITIONNELLES
III.2.1 Surdimensionnement de l’installation électrique
III.2.2 Augmentation de la puissance de court-circuit
III.2.3 Transformateur à couplage spécial
III.2.4 Modification du convertisseur polluant
III.2.4.1 Redresseurs dodécophasés
III.2.4.2 Méthodes d’injection d’harmonique dans le neutre
III.2.4.3 Transformateurs de réjection de l’harmonique 3
III.3 SOLUTIONS NOUVELLES
III.3.1 Filtre actif ou conditionneur actif d’harmoniques
III.3.2 Filtre actif de puissance parallèle
III.3.3 Filtre actif de puissance série
III.3.4 Filtre actif de puissance hybride
III.3.4.1 Filtre actif de puissance série en parallèle avec des filtres passifs parallèles
III.3.4.2 Filtre actif de puissance série en série avec des filtres passifs parallèles
III.3.4.3 Conditionneur actif de puissance
III.3.4.4 Redresseur à principe de la MLI
III.4 SOLUTIONS NON CONVENTIONNELLES
III.4.1 Système Improved Power Quality AC-DC Converter IPQC
III.4.2 Système Power Line Communication PLC
III.4.3 Filtrage actif à l’aide d’une machine synchrone à double alimentation
III.5 CONCLUSIONS
CONCLUSION GENERALE
