MINISTERE DE LENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE

SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE FERHAT ABBAS - SETIF UFAS (ALGERIE)

THESE DE DOCTORAT EN SCIENCES

Prsent au dpartement dElectrotechnique

Facult de Technologie Pour Obtenir le titre de

Docteur En Electrotechnique

Spcialit : Commande Electrique

Par

BOUAFIA ABDELOUAHAB

Thme

TECHNIQUES DE COMMANDE PREDICTIVE ET FLOUE POUR LES SYSTEMES DELECTRONIQUE DE

PUISSANCE: APPLICATION AUX REDRESSEURS A MLI

Soutenu le : 06/10/2010 devant la commission dexamen compose de :

Pr. MOSTEFAI Mohamed Prsident Universit de Stif Pr. KRIM Fateh Directeur de thse Universit de Stif Dr. GAUBERT Jean-Paul Examinateur Universit de Poitiers Dr. RAMBAULT Laurent Examinateur Universit de Poitiers Pr. REKIOUA Toufik Examinateur Universit de Bjaia Pr. BACHA Seddik Examinateur Universit de Grenoble

Techniques de Commande Prdictive et Floue pour les Systmes dElectronique de Puissance : Application aux

Redresseurs MLI

Mots cls : Keywords :

Electronique de puissance Pollution/dpollution harmonique Redresseurs MLI Facteur de puissance unitaire Contrle de courant Puissance instantane Contrle direct de puissance Commande prdictive Logique floue

Power electronics Harmonic pollution/elimination PWM rectifiers Unity power factor Current control Instantaneous power Direct power control (DPC) Predictive control Fuzzy logic

Rsum :

Cette thse sinscrit dans les travaux de recherche mens sur les moyens modernes, base de llectronique de puissance, de dpollution harmonique du rseau de distribution de lnergie lectrique. Cette pollution constitue actuellement un problme majeur surtout dans lindustrie. Elle est cause principalement par les charges non-linaires, prlevant sur le rseau des courants non sinusodaux. Les convertisseurs statiques, surtout les redresseurs diodes et thyristors, sont de nature non-linaire et reprsentent la principale source dinjection de courants harmoniques dans le rseau. Ils requirent donc une attention particulire afin de rduire leurs taux dharmonique en courant. Dans ce contexte, les solutions modernes prventives adoptes, en plus du filtrage actif qui reprsente une solution curative, consiste remplacer les redresseurs classiques par de nouvelles structures de convertisseurs AC/DC non polluants, dont le comportement vis--vis du rseau est de nature rsistive. Ce travail apporte une contribution la commande du redresseur de tension MLI absorption de courant sinusodal. En effet, diffrentes stratgies de commande ont t dveloppes, simules et valides sur un banc dessai exprimental dont le but commun est dobtenir un rglage performant de la tension du bus continu et un prlvement de courants sinusodaux. Ces stratgies sont bases soit sur le contrle direct des courants absorbs soit sur le contrle direct des puissances instantanes (DPC). De plus, elles sont combines avec des commandes dites avances, comme les approches floues et prdictives appliques aux deux techniques de contrle nonces prcdemment. La simulation de toutes ces mthodes a t mise en uvre laide du logiciel Matlab/SimulinkTM et limplantation en temps rel a t labore grce une carte contrleur du systme dSPACE 1104.

Avant propos.

Le travail prsent dans ce mmoire a t ralis en collaboration entre le Laboratoire dElectronique de Puissance et Commande Industrielle (LEPCI) de lUniversit de Stif, Algrie, et le Laboratoire dAutomatique et dInformatique Industrielle (LAII) de lUniversit de Poitiers, France, dans le cadre dune convention de cotutelle de thse entre les deux universits.

A lissue de ce travail je tiens adresser ma reconnaissance et mes remerciements toutes les personnes qui ont contribu, chacune leur manire, laccomplissement de cette thse.

Tout dabord, je tiens remercier vivement les membres de jury pour avoir accept dvaluer ce travail et ce mmoire :

Monsieur Mohamed MOSTEFA, Professeur lUniversit de Stif, Algrie, davoir accept de juger mon travail et de prsider le jury de soutenance de cette thse.

Messieurs Seddik BACHA, Professeur lUniversit de Grenoble, France, et Toufik REKIOUA, Professeur lUniversit de Bejaia, Algrie, pour mavoir fait lhonneur daccepter dtre les rapporteurs de cette thse.

Je tiens galement remercier trs chaleureusement mes directeurs de thse :

Monsieur Fateh KRIM, du ct Algrien, Professeur lUniversit de Stif, pour son encadrement, son suivi permanent et ses prcieux conseils.

Monsieur Laurent RAMBAULT, Matre de Confrences lUniversit de Poitiers, mon directeur de thse du cot Franais, pour son encadrement et sa confiance dans ce travail.

Monsieur Jean-Paul GAUBERT, Matre de Confrences lUniversit de Poitiers, mon encadreur de thse, pour son aide, son soutien permanent et pour mavoir trait toujours aussi chaleureusement.

Je suis trs reconnaissant au directeur du Laboratoire dAutomatique et dInformatique Industrielle (LAII), Professeur Grard CHAMPENOIS, pour laccueil chaleureux et pour mavoir donn lopportunit de raliser la partie exprimentale de cette thse au sein de son laboratoire.

Listes des Symboles et Acronymes

Symboles : ea, eb, ec va, vb, vc ia, ib, ic vdc, Idc vL

( )v k Ich - d-q i, i id, iq Sa, Sb, Sc Tsa, Tsb, Tsc SP, Sq Ls , rs L, r C x M I1, Ih V1, Vh 1, h W S P q D P*, q*

P, q i Zcc1, Zcch I FA A(x) min(A(x), B(x)) max(A(x), B(x)) hgt(A)

Tensions simples du rseau Tensions simples lentre du pont redresseur Courants dbits par le rseau Tension et courant du bus continu Tension aux bornes de linductance de couplage Valeur moyenne de v Courant de charge Repre stationnaire Repre synchrone tournant Composantes du vecteur courant dans le repre stationnaire Composantes du vecteur courant dans le repre synchrone Signaux de commande des interrupteurs de puissance Largeurs des limpulsions des signaux MLI Sortie digitale des comparateurs hystrsis des puissances P et q Inductance et rsistance de la source Inductance et rsistance de la bobine de couplage Capacit du condensateur du bus continu Dphasage entre les deux vecteurs e et v Variable dtat Transformation de Park Valeur efficace du courant fondamental et du courant harmonique de rang h Valeur efficace de la tension fondamentale et de lharmonique de rang h Dphasage du courant fondamental et du courant harmonique de rang h Energie lectrique Puissance apparente Puissance active Puissance ractive Puissance dformante Rfrence de la puissance active et ractive Variation de la puissance active et ractive Position du vecteur de tension dans le repre stationnaire Secteur numro i Pulsation fondamentale du rseau Impdance de court-circuit la frquence fondamentale et du rang h Largeur de la bande hystrsis Fonction dappartenance du sous-ensemble flou A Complment du sous-ensemble flou A Degr dappartenance de x au sous-ensemble A Minimum des deux degrs dappartenance Maximum des deux degrs dappartenance Hauteur du sous-ensemble flou A

Listes des Symboles et Acronymes

supp(A) noy(A) -cut(A) u s Ts T E

, , Le v v i

Support du sous-ensemble flou A Noyau du sous-ensemble flou A Coupe de niveau du sous-ensemble flou A Sortie du contrleur flou Ecart de rglage Variation de lcart de rglage Frquence dchantillonnage Priode dchantillonnage Largeur du crneau centr pour le redresseur monophas Valeur efficace de la tension compose du rseau Vecteur de tension complexe du rseau, du redresseur et aux bornes de L Vecteur de courant complexe dbit par le rseau

Acronymes : MLI PWM HCC VOC VFOC VSC DPC P-DPC V-DPC VF-DPC DTC AC/DC FACTS SVC STATCOM TCSC UPFC PFC THD P-DCC SVM FP HVDC MT BT FAP FAS UPS UPF PLL PI

Modulation de Largeur dImpulsion Pulse Width Modulation Hysteresis Current Control Voltage Oriented Control Virtual-Flux-based Oriented Control Voltage Source Converter Direct Power Control Predictive Direct Power Control Voltage-based Direct Power Control Virtual-Flux-based Direct Power Control Direct Torque Control Conversion alternative continue Flexible Alternating Current Transmission Systems Static Var Compensator Static Synchronous Compensator Thyristor Controlled Series Capacitor Unified Power Flow Controller Power Factor Correction Total Harmonic Distortion Predictive Direct Current Control Space-Vector Modulation Facteur de Puissance High Voltage Direct Current Moyenne Tension Basse Tension Filtre Actif Parallle Filtre Actif Srie Uninterruptible Power Supply Unit Power Factor Phase Locked Loop Regulateur Proportionnel intgral

Table des Matires

i

Table des Matires Itroduction Gnrale .........................................................................................................................1

Chapitre 1 : La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

1.1 Introduction...........................................................................................................................................6

1.2 Qualit de lnergie lectrique ...........................................................................................................7

1.3 Problmatique des harmoniques ........................................................................................................7

1.3.1 Origine des harmoniques ..............................................................................................................8

1.3.2 Caractrisation des harmoniques.................................................................................................9

1.3.3 Concquences nfastes des harmoniques ................................................................................ 11

1.4 Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle ........................................ 13

1.5 Normes et rglementations .............................................................................................................. 15

1.6 Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie ....... 17

1.6.1 Solutions traditionnelles de dpollution .................................................................................. 18

1.6.2 Solutions modrnes base dlectronique de puissance ....................................................... 20

1.6.2.1 Filtres actifs ....................................................................................................................... 20

1.6.2.2 Filtres actifs hybrides ....................................................................................................... 22

1.6.2.3 Les alimentations sans interruption................................................................................ 23

1.6.2.4 Les FACTS ........................................................................................................................ 24

1.6.2.5 Prlvement sinusodal........................................................................................................ 26

1.6.2.5.1 Correction du facteur de puissance PFC ................................................................. 26

1.6.2.5.2 Redresseurs injection de courant........................................................................... 27

1.6.2.5.3 Redresseurs MLI ..................................................................................................... 28

1.7 Conclusion ........................................................................................................................................ 30

Chapitre 2 : Commande par Hystrsis du Redresseur MLI de Tension

2.1 Introduction........................................................................................................................................ 32

2.2 Onduleur de tension triphas : applications et stratgies de commande ................................... 33

2.3 Le redresseur MLI de tension ...................................................................................................... 36

2.3.1 Structure et principe de fonctionnement ................................................................................. 36

2.3.2 Modes dopration redressement/rgnration ...................................................................... 40

Table des Matires

ii

2.3.3 Modles du redresseur de tension MLI................................................................................. 41

2.3.4 Dimentionnement des lments passifs ................................................................................... 45

2.4 Etat de lart de la commande du redresseur MLI....................................................................... 47

2.5 Contrle par hystrsis des courants prlevs ............................................................................... 49

2.5.1 Structure du contrle de courant par hystrsis ...................................................................... 51

2.5.2 Boucle de rgulation de la tension du bus continu ................................................................. 51

2.6 Logique floue et contrleur flou ....................................................................................................... 53

2.6.1 Concepts fondamentaux de la logique floue ........................................................................... 54

2.6.1.1 Variables linguistiques et les ensembles flous ................................................................. 55

2.6.1.2 Fonctions dappartenance.................................................................................................... 57

2.6.1.3 Oprateurs sur les sous-ensembles flous........................................................................... 58

2.6.2 Raisonnement en logique floue................................................................................................. 60

2.6.3 Infrences floues ......................................................................................................................... 62

2.6.4 Structure dun systme de commande floue............................................................................ 63

2.7 Synthse du contrleur flou du bus continu................................................................................... 67

2.7.1 Structure du contrleur flou propos........................................................................................ 68

2.7.2 Mise en uvre pratique du contrleur flou ............................................................................. 71

2.8 Description du banc dessai exprimental...................................................................................... 72

2.9 Rsultats de simulation et exprimentaux...................................................................................... 73

2.10 Conclusion ...................................................................................................................................... 78

Chapitre 3 : Contrle Direct de Puissance du Redresseur Triphas MLI

base dune Table de Commutation Prdfinie

3.1 Introduction ........................................................................................................................................ 82

3.2 Etat de lart du contrle direct de puissance (DPC)...................................................................... 83

3.3 Principe du DPC avec table de commutation prdfinie ............................................................. 84

3.4 DPC classique .................................................................................................................................... 85

3.4.1 Expressions des puissances instantanes ................................................................................. 86

3.4.2 Rsultats de simulation et exprimentaux ............................................................................... 87

3.4.3 Conclusion ................................................................................................................................... 90

3.5 DPC propos ...................................................................................................................................... 91

3.5.1 Etude des variations des puissances instantanes................................................................... 91

3.5.2 Elaboration de la nouvelle table de commutation .................................................................. 94

3.5.3 Rsultats de simulation et exprimentaux ............................................................................... 95

Table des Matires

iii

3.5.4 Principe du contrle flou de la tension du bus continu pour le DPC................................... 98

3.5.5 Rsultats exprimentaux du contrle flou du bus continu .................................................. 100

3.6 DPC flou........................................................................................................................................... 102

3.6.1 Synthse des rgles floues....................................................................................................... 103

3.6.2 Rsultats de simulation et exprimentaux............................................................................ 104

3.7 Etude comparative........................................................................................................................... 108

3.8 Conclusion ...................................................................................................................................... 110

Chapitre 4 : Commande Prdictive de Courants Absorbs par le Redresseur MLI

4.1 Introduction...................................................................................................................................... 112

4.2 Principe de la commande prdictive............................................................................................. 113

4.3 Commande prdictive de courant du redresseur monophas .................................................... 115

4.3.1 Commande prdictive pour le fonctionnement deux niveaux ......................................... 116

4.3.2 Commande prdictive pour le fonctionnement trois niveaux.......................................... 118

4.3.3 Rsultats de simulation et exprimentaux............................................................................. 120

4.4 La MLI vectorielle .......................................................................................................................... 125

4.5 Commande prdictive de courants du redresseur triphas ........................................................ 128

4.5.1 Commande prdictive de courants avec optimisation ......................................................... 129

4.5.1.1 Estimation des rfrences des courants commands ..................................................... 131

4.5.1.2 Rsultats dimplmentation en simulation et de validation pratique .......................... 132

4.5.2 Commande prdictive de courants avec rponse pile .......................................................... 135

4.5.2.1 Commande prdictive des courants i et i ..................................................................... 136

4.5.2.2 Commande prdictive des courants id et iq .................................................................... 137

4.5.2.3 Rsultats de simulation...................................................................................................... 140

4.5.2.4 Rsultats exprimentaux ................................................................................................... 144

4.6 Conclusion ...................................................................................................................................... 148

Chapitre 5 : Commande Directe de Puissance Prdictive du Redresseur Triphas MLI

5.1 Introduction...................................................................................................................................... 150

5.2 Modle prdictif du redresseur MLI command en puissance .............................................. 150

Table des Matires

iv

5.3 Commande directe de puissance prdictive (P-DPC) avec slection du vecteur de commande

optimal..................................................................................................................................................... 152

5.3.1 Prdiction des rfrnces des puissances instantanes .......................................................... 154

5.3.2 Principe de slection du vecteur de commande optimal...................................................... 155

5.3.3 Rsultats de simulation et pratiques ....................................................................................... 157

5.4 Commande directe de puissance prdictive (P-DPC) avec rponse pile ................................. 159

5.4.1 P-DPC avec rponse pile dans le repre stationnaire -.................................................... 160

5.4.2 P-DPC avec rponse pile dans le repre tournant d-q.......................................................... 161

5.4.3 Rsultats de simulation et pratiques de la P-DPC avec rponse pile ................................ 163

5.4.3.1 Rsultats de la P-DPC dans le repre stationnaire - ............................................... 163

5.4.3.2 Rsultats de la P-DPC dans le repre d-q .................................................................... 165

5.4.4 Interprtation des rsultats.................................................................................................... 167

5.5 Etude comparative........................................................................................................................... 168

5.6 Conclusion ....................................................................................................................................... 169

Conclusion Gnrale......................................................................................................................171 Annexe A

Annexe B

Annexe C

Annexe D

Rfrences Bibliographiques

Introduction Gnrale

1

Introduction Gnrale

La qualit de lnergie est un concept assez large qui recouvre la fois la qualit de la fourniture

lectrique, celle de londe de tension et la qualit des courants. Lamlioration de la qualit de lnergie

sur les rseaux de distribution lectrique, devient de nos jours, un enjeu important tant pour les

gestionnaires des rseaux que pour les exploitants de lnergie lectrique. En exploitation normale, la

qualit de llectricit se rduit principalement la qualit de londe de tension dlivre. Lorsque cette

tension est prsente, les principaux phnomnes pouvant laffecter sont : les creux de tension de courtes

ou longues dures, le flicker, la surtension, le dsquilibre ou les harmoniques. En revanche, la qualit

des courants reflte la possibilit des charges fonctionner sans perturber ni rduire lefficacit du

systme de puissance. Habituellement, la qualit de londe de tension fait rfrence la mesure du degr

de conformit dune source dalimentation lectrique par rapport un certain nombre de critres ou de

normes caractre quantitatif et absolu. Les principaux paramtres caractrisant une tension triphase

sont la frquence, lamplitude, la forme donde qui doit tre sinusodale et la symtrie du systme

caractrise par lgalit des modules des trois tensions et de leurs dphasages relatifs. Tout phnomne

physique affectant un ou plusieurs de ces paramtres est considr comme perturbation.

La prsence des harmoniques dans le rseau lectrique, appele galement pollution harmonique,

est lun des phnomnes importants entranant la dgradation de la qualit de lnergie, plus

particulirement la dformation ou la distorsion de londe de tension. Cette distorsion rsulte de la

superposition, sur londe de tension fondamentale, dondes galement sinusodales mais de frquences

multiples de celle du fondamental. Nous pouvons galement observer des sous-harmoniques ou des inter-

harmoniques des frquences non multiples de la frquence fondamentale. Ce phnomne est souvent la

cause dune mauvaise exploitation de lnergie lectrique et risque dendommager les appareils

lectriques connects aux rseaux. Les consquences nfastes les plus connues de la pollution

harmonique se rsument dans la destruction de condensateurs, le dclenchement intempestif de

protections lectriques, les phnomnes de rsonance avec les lments composants le rseau,

lchauffement du conducteur de neutre des transformateurs ainsi que lusure qui est due

lchauffement des quipements soumis aux harmoniques.

De plus, la pollution harmonique du rseau de distribution de lnergie lectrique constitue

actuellement un problme majeur surtout en industrie. La prsence de ce phnomne gnant est due

principalement aux charges non linaires. En effet, les charges non linaires dans les secteurs industriels

et domestiques, crant des courants non sinusodaux et/ou dphass par rapport la tension, engendrent

des pollutions harmoniques, une augmentation de la valeur du courant efficace, une acclration du

vieillissement de certains matriels. Ces charges non linaires ou polluantes, sont principalement les

Introduction Gnrale

2

convertisseurs statiques dlectronique de puissance tels que les redresseurs diodes ou thyristors, les

gradateurs, le matriel informatique via leur alimentation, les lampes fluorescentes,..etc.

Dautre part, lutilisation croissante dans le secteur industriel de systmes aliments

lectroniquement et pilotables, motive par lamlioration de leurs performances, a conduit une

prolifration de convertisseurs statiques. Aujourdhui, le nombre de ces dispositifs raccords aux rseaux

lectriques est en constante progression. Le fonctionnement en rgime de commutation des composants

semi-conducteurs constituant ces convertisseurs est la raison pour laquelle leur comportement vis--vis

de la source dalimentation est non linaire. En effet, ils prlvent des courants non sinusodaux et pour

la plupart consomment de la puissance ractive ce qui pose de srieux problmes aux rseaux lectriques.

Les convertisseurs statiques sont devenus alors les sources dharmoniques les plus importantes sur le

rseau. Le redresseur non contrl diodes et contrl thyristors reprsente le convertisseur statique le

plus polluant et trs rpandu aussi bien dans lindustrie que dans lappareillage domestique. Il peut

introduire sous certaines conditions dopration un taux de distorsion harmonique (THDi) de courant

suprieur 30%. Pour cette raison, certaines normes internationales adaptes rcemment, telles que IEEE

Standard 519, CEI 61000 et EN 50160, imposent des limites aux THD des courants et tensions au sein

du rseau dalimentation (5% pour les courants et 3% pour les tensions).

Devant cet tat de fait, et afin de limiter le taux de perturbation harmonique provoque par les

systmes dlectronique de puissance connects au rseau, il est apparat ncessaire de dvelopper des

dispositifs curatifs tel que le filtrage actif dune part et dautre part de concevoir des actions prventives

comme les convertisseurs non polluants, dots dun dispositif de commande rendant le courant prlev

sur le rseau le plus sinusodal possible. Dans ce contexte et depuis une dizaine dannes, des

convertisseurs statiques non polluants facteur de puissance lev ont commenc apparatre sur le

march concernant surtout la conversion AC/DC. En effet, des changements ont t apports sur les ponts

redresseurs conventionnels modifiant leur structure ou leur systme de commande afin de rduire leur

injection de courants harmoniques dans le rseau. Ces nouveaux convertisseurs AC/DC se distinguent par

leur structure et par la manire de grer les courants absorbs. Ils peuvent tre diviss en trois classes :

redresseur diodes avec correcteur de facteur de puissance (PFC), redresseur injection de courant et

redresseur MLI de tension ou de courant. Parmi ces structures les plus rpandues et les plus attractives

se trouvent le redresseur de tension MLI. Il est caractris par un comportement quasi rsistif vis--vis

du rseau dalimentation.

Outre sa capacit contrler les courants absorbs et fonctionner avec un facteur de puissance

proche de lunit, le redresseur de tension MLI peut galement oprer sous deux modes : redressement

et rgnration. Il contrle ainsi lcoulement de puissance active et ractive dans les deux directions.

Cet avantage lui permet dtre exploit dans de multiples applications, plus particulirement celles

fonctionnant frquemment en mode de rgnration et ncessitant le contrle de flux de puissance

Introduction Gnrale

3

bidirectionnel (entranements vitesse variables par exemple). Ce convertisseur constitue actuellement

un thme de recherche cl pour les spcialistes du domaine. Les recherches effectues portent

principalement sur les stratgies de commande surtout celles dites avances (prdictive, floue, rseaux de

neurones,..etc.) ainsi que sur le choix et le dimensionnement du filtre dentre.

Dans le cadre de cette problmatique de recherche sur le redresseur de tension MLI, le prsent

travail de doctorat a t effectu au sein des deux laboratoires LEPCI (Stif-Algrie) et LAII (Poitiers-

France) suite une convention de cotutelle de thse. Il porte sur llaboration de nouvelles stratgies de

commande permettant ce convertisseur statique de prlever des courants sinusodaux sur le rseau

dalimentation. Les stratgies dveloppes sont valides par simulation et implmentes en temps rel

sur un banc dessai exprimental du LAII. Elles se distinguent par leurs grandeurs commandes (courants

dentre ou puissances instantanes absorbes) et leur approche de commande avance (floue ou

prdictive).

Les diffrents dveloppements thoriques et les rsultats obtenus durant ce travail de thse sont

organiss en cinq chapitres :

Le premier chapitre dbute avec les notions sur la qualit de lnergie lectrique et les diffrentes

perturbations pouvant laffecter. La problmatique des harmoniques, leur origine, leur caractrisation et

leurs consquences nfastes sur le rseau et sur les rcepteurs, est ensuite prsente. La perturbation

harmonique produite par les redresseurs diodes et les normes et rglementations, en termes de pollution

harmonique, en vigueur sont galement exposes dans ce chapitre. Il se termine par les diffrentes

solutions, traditionnelles et modernes, de dpollution harmonique.

Le second chapitre propose un bref rappel sur les applications et la commande de londuleur de

tension triphas. Ensuite, une tude thorique dtaille est dveloppe propos de la structure et du

principe de fonctionnement, des diffrents modes dopration, de la modlisation et du choix des

lments passifs associs au redresseur de tension triphas MLI. Aprs avoir voqu ltat de lart de la

commande, nous traitons le contrle des courants absorbs par le redresseur par le biais des comparateurs

hystrsis. Nous proposons galement dans ce cadre le rglage de la tension du bus continu grce un

contrleur flou. A cet effet, une structure du contrleur flou est dcrite, simule et implmente en temps

rel sur le prototype exprimental. Nous clturons ce chapitre par une description du banc dessai

pratique et avec des rsultats exprimentaux.

Dans le chapitre trois, nous prsentons le contrle direct de puissance (DPC) du redresseur MLI

par table de commutation prdfinie. Dans ce contexte, notre contribution porte sur llaboration dune

nouvelle table de commutation plus performante et sur une nouvelle structure de DPC sans comparateurs

hystrsis utilisant une table de commutation avec slection floue. Le rglage de la tension du bus

continu par contrleur flou pour DPC est galement abord dans ce chapitre.

Introduction Gnrale

4

Nous nous intressons dans le quatrime chapitre la commande des courants prlevs sur le

rseau par le redresseur MLI par approche prdictive. Dans un premier temps, nous traitons le cas

monophas o la commande prdictive rponse pile est adopte. Ensuite, deux approches prdictives

pour la structure triphase sont labores dont la premire consiste rsoudre un problme

doptimisation. Tandis que la deuxime assure une rponse plie du systme. La validation des approches

proposes est effectue par simulation et pratiquement sur le banc dessai du laboratoire.

Le dernier chapitre de ce mmoire est consacr la combinaison du principe du contrle direct

de puissance avec une approche prdictive (P-DPC). Aprs laboration dun modle prdictif exprim en

fonction des puissances instantanes active et ractive du redresseur de tension triphas MLI, deux

approches ont t dveloppes. La premire est base sur la slection du vecteur de commande optimal

minimisant une distance. La deuxime est base sur le calcul dun vecteur de commande moyen

appliquer par le biais de la modulation vectorielle (SVM). Les rsultats obtenus pour les deux algorithmes

en simulation et exprimentalement aprs implmentation en temps rel sont exposs.

Une conclusion gnrale de ce travail ainsi que des perspectives clturent ce mmoire.

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

5

Chapitre 1

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

Ce chapitre prliminaire nous permet dintroduire la problmatique de notre thme de recherche et de prsenter une tude non exhaustive sur la pollution harmonique dans le rseau lectrique et les diffrents moyens de dpollution. En premier lieu, nous dfinissons les notions de la qualit de lnergie lectrique et nous identifions les diffrentes sources dharmoniques. La caractrisation et les effets nfastes des harmoniques sur le rseau lui-mme et sur les quipements lectriques couramment usits, sont galement discuts dans cette partie. Avant de prsenter les normes et les recommandations en vigueur adoptes par les gestionnaires des rseaux lectriques pour faire face aux harmoniques et rduire le taux de pollution, nous mettons en vidences les perturbations harmoniques provoques par lun des convertisseurs de llectronique de puissance le plus rpandu en pratique, il sagit du pont redresseur diodes. Les rsultats de simulation et pratiques illustrant ces perturbations sont galement prsents. Dans la seconde partie, nous exposons les diffrentes techniques possibles de dpollution harmonique, traditionnelles et modernes. Nous montrerons aussi lutilit et le rle primordial de llectronique de puissance dans le processus de dpollution et damlioration de la qualit de lnergie lectrique.

Sommaire :

1.1. Introduction ............................................................................................................................................6

1.2. Qualit de lnergie lectrique ...............................................................................................................7 1.3. Problmatique des harminoques.............................................................................................................7 1.4. Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle...................................................13

1.5. Nornes et rglementations ....................................................................................................................15

1.6. Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie ....................17

1.7. Conclusion ...........................................................................................................................................30

Chapitre 1:

6

1.1 Introduction

Le dveloppement croissant des applications de llectronique de puissance conduit, dans

certains secteurs industriels, une prolifration de convertisseurs statiques. Aujourdhui, le nombre de

ces dispositifs raccords aux rseaux lectriques est en constante progression. Ces convertisseurs

statiques apportent une plus grande souplesse et des conomies dnergie par rapport aux solutions

antrieures. Ils sont principalement destins la conversion et au traitement de lnergie lectrique entre

une source (rseau lectrique, gnrateurs synchrone ou asynchrone, batterie, renouvelable, ) et une

charge (charge passive, machines alternatives, rseau de bord, ). Le traitement consiste en une

modification des caractristiques lectriques lies la forme donde de la source dnergie lectrique,

dans lobjectif de ladapter aux spcifications de la charge. En tenant compte des niveaux de puissance

traits, cette modification doit tre ralise avec le meilleur rendement possible [1].

Un convertisseur statique est constitu dun ensemble dlments passifs ractifs qui ne

consomment pas de puissance active (inductances, condensateurs), utiliss comme moyens de filtrage ou

de stockage intermdiaire dnergie, et de composants semi-conducteurs utiliss comme interrupteurs de

puissance pour grer le transfert dnergie. Le fonctionnement en rgime de commutation de ces

interrupteurs est la raison pour laquelle les convertisseurs statiques se comportent vis--vis de la source

dalimentation comme des charges non linaires. Mme si la topologie du convertisseur est gnralement

invariable, louverture et la fermeture des interrupteurs provoquent un comportement impdance

variable par rapport la source dalimentation. Ainsi, les convertisseurs statiques absorbent des courants

non sinusodaux et pour la plupart consomment de la puissance ractive ce qui pose de nombreux

problmes aux rseaux lectriques [1].

Partant de ce fonctionnement en commutation, on peut identifier deux sortes de perturbations

provoques par les convertisseurs statiques :

la premire catgorie comprend les missions dondes lectromagntiques. Lamplitude du phnomne est directement lie au mode de commutation des interrupteurs, au cblage, et la qualit

de blindage ;

la seconde catgorie comprend les perturbations lectriques (en courant et en tension) conduites par les lignes dalimentation dont lorigine se trouve dans le comportement non linaire de ces

dispositifs. Elles peuvent tre classes, suivant la frquence, en deux familles :

- perturbations conduites haute frquence (suprieure 2 kHz) qui peuvent tre attnues par les lignes de distribution ;

- perturbations conduites basse frquence (infrieure 2 kHz) dont les diffrentes techniques de contrle tentent de les minimiser.

Lobjet de ce premier chapitre est danalyser, dans un premier temps, linfluence des perturbations

et des courants harmoniques dans le rseau lectrique surtout celles produites par les redresseurs

classiques commutation naturelle. Nous prsentons galement dans cette partie les normes et les

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

7

rglementations adoptes dans ce domaine. Dans un second temps, nous tudierons les diffrentes

solutions traditionnelles et avances permettant lattnuation des effets les plus nfastes [2].

1.2 Qualit de lnergie lectrique La qualit de lnergie est une notion assez large qui recouvre la fois la qualit de la fourniture

lectrique, la qualit de londe de tension et la qualit des courants. Lorsque la tension est prsente, les

principaux phnomnes pouvant laffecter sont dune part les variations lentes : creux de tension,

surtensions, coupures, dsquilibres et dautre part des variations rapides : surtensions transitoires, flicker

ainsi que les harmoniques. La qualit des courants reflte par contre la possibilit des charges

fonctionner sans perturber ni rduire lefficacit du systme de puissance. Cest pourquoi certains

considrent que la qualit de llectricit se rduit la qualit de la tension [4].

La qualit de lalimentation lectrique ou qualit de londe fait rfrence la mesure du degr de

conformit dune source dalimentation lectrique par rapport un certain nombre de critres ou de

normes caractre quantitatif et absolu. Lnergie lectrique est dlivre sous forme dun systme

triphas de tensions sinusodales. Les paramtres caractristiques de ce systme sont les suivants :

la frquence, lamplitude, la forme donde qui doit tre sinusodale, la symtrie du systme triphas, caractrise par lgalit des modules des trois tensions et de

leurs dphasages relatifs.

Tout phnomne physique affectant une ou plusieurs de ces caractristiques peut tre considr comme

perturbation. En pratique, ces perturbations sont classes selon la dure du phnomne. Ainsi, il est

possible de distinguer :

- les altrations de londe de tension (harmoniques, dsquilibre, flicker). Ces phnomnes sont permanents ou durent au minimum plusieurs minutes,

- les creux de tension et coupures brves dune dure de lordre dune quelques secondes, - les surtensions transitoires, de dure infrieure une priode [5].

Dans ce qui suit nous nous restreindrons la prsentation des perturbations provoques par les

harmoniques ainsi que leurs consquences nfastes sur le rseau lectrique.

1.3 Problmatique des harmoniques

La problmatique des harmoniques dans le rseau lectrique, galement appele pollution

harmonique, nest pas un phnomne nouveau. Nanmoins, du fait que de plus en plus de charges non

linaires se connectent au rseau, la problmatique des harmoniques est devenue trs rpandue. Les

charges non linaires provoquent une distorsion des courants et donc des tensions, ce qui peut entraner

un mauvais fonctionnement des dispositifs raccords au rseau. Do, lintrt dliminer ou de

minimiser ces harmoniques [3].

Chapitre 1:

8

Un rcepteur dnergie est considr par le rseau lectrique comme une charge perturbatrice sil

absorbe des courants non sinusodaux ou des courants dsquilibrs ou sil consomme de la puissance

ractive. Les deux premiers types de perturbations peuvent dformer ou dsquilibrer les tensions du

rseau lorsque limpdance de celui-ci nest pas ngligeable. Le troisime rduit la capacit de

production ou de transmission de la puissance active des gnrateurs, des transformateurs et des lignes

lectriques [2].

Les harmoniques de courant, une fois injects par des charges non linaires, se propagent

travers le rseau lectrique en affectant la forme donde des tensions aux diffrents points du rseau.

Cette propagation nest limite que par les bifurcations (points de division des courants) et les

impdances du rseau qui dpendent gnralement de la frquence des courants harmoniques. La

prsence des harmoniques de courant se rvle essentiellement travers leurs effets sur la tension du

rseau [3].

1.3.1 Origine des harmoniques Les harmoniques sont des perturbations permanentes affectant la forme donde de la tension du

rseau. Ces perturbations rsultent de la superposition, sur londe fondamentale, dondes galement

sinusodales mais de frquences multiples de celle du fondamental [5]. En gnral, les harmoniques pairs

sont ngligeables et seuls les harmoniques impairs existent [4]. Nous pouvons galement observer des

sous-harmoniques ou des inter-harmoniques des frquences non multiples de la frquence

fondamentale. La figure 1.1 illustre un exemple de forme donde dune tension distordue contenant, en

plus du terme fondamental de frquence 50Hz, trois harmoniques de rang impair 5, 7 et 11.

Figure 1.1 Synthse dune tension distordue partir des harmoniques.

La cause principale de lexistence des harmoniques de tension, comme on le montrera

ultrieurement, est linjection dans le rseau des courants non sinusodaux par des charges non linaires.

Il sagit alors de sources gnratrices de courants harmoniques qui peuvent tre classes en deux types :

a- Sources harmoniques identifiables : Les quipements dots de dispositifs base dlectronique de puissance, notamment les redresseurs et les

cycloconvertisseurs de puissances importantes, installs sur les rseaux haute et moyenne tension sont

0.48 0.485 0.49 0.495 0.5-120

-90

-60

-30

0

30

60

90

120

v(t)

v1(t)

v5(t) v7(t) v11t)

Temps[s]

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

9

typiquement des sources harmoniques identifiables. Avec ce type de charge non linaire, le distributeur

dnergie est capable didentifier le point dinjection des harmoniques et de quantifier la perturbation

provoque. Dans ce cas, cest lutilisateur qui doit se procurer les moyens ncessaires afin de rduire

cette perturbation au dessous du seuil exig par le distributeur de lnergie sous peine dtre pnalis [5].

b- Sources harmoniques non identifiables : Ce type de gnrateur de courants harmoniques est principalement reprsent par les appareils utiliss

dans les domaines lectrodomestiques ou tertiaires tels que les tlviseurs et les micro-ordinateurs. Vue

leur trs large diffusion, ces quipements comportant souvent un redresseur monophas diodes avec un

condensateur de lissage, prlvent des courants harmoniques non ngligeables. Dans ce cas, il est de la

responsabilit du distributeur de lnergie lectrique dempcher la propagation de la perturbation

harmonique sur le rseau puisque individuellement chaque utilisateur gnre un faible taux

dharmonique [5]. A titre dexemple, la figure 1.2 ci-dessous montre lallure du courant absorb par un

ordinateur. Il est de forme impulsionnelle et riche en harmoniques et possde un taux de distorsion

inadmissible.

Figure 1.2 Forme donde du courant absorb par un ordinateur et spectre associ.

1.3.2 Caractrisation des harmoniques

La perturbation harmonique est gnralement caractrise par le taux de distorsion harmonique

(THD) dfini pour la tension ou le courant. Ce critre est le plus souvent employ pour quantifier le

contenu harmonique dun signal distordu. Il mesure galement le degr de dformation du signal apport

par les harmoniques par rapport une onde sinusodale. Il va de soit que la rpartition spectrale complte

gnralement linformation sur le THD en indiquant le rang des harmoniques dominants. Pour chiffrer la

consommation de puissance ractive le facteur de puissance (FP) est gnralement utilis [2].

Le courant absorb par une charge non linaire (convertisseur statique) nest pas sinusodal,

mais sa valeur moyenne sur chaque phase est souvent nulle. Dans ce cas, la dcomposition en srie de

Fourier du courant donne :

Chapitre 1:

10

1 12

( ) 2 sin( ) 2 sin( )h hh

i t I t I h t =

= + + + (1) Avec : I1, Ih : valeur efficace du courant fondamental et du courant harmonique de rang h,

1, h: dphasage du courant fondamental et du courant harmonique de rang h,

: pulsation fondamentale du rseau.

Le taux de distorsion harmonique de ce courant sexprime sous la forme suivante :

2

22 1

hi

h

ITHDI

== (2)

Pour tudier la dformation de la tension du rseau provoque par le prlvent de courants distordus,

nous reprsentons la source dnergie par une f.e.m (es) la frquence fondamentale mise en srie avec

une impdance variable avec la frquence comme le montre la figure 1.3.

(a) : pour la frquence fondamentale (b) : pour lharmonique de rang h

Figure 1.3 Schmas quivalents pour caractriser la dformation de la tension au point de raccordement.

Sur ces schmas, les impdances reprsentent :

Zcc1 : impdance de court-circuit de la source la frquence fondamentale,

Zcch : impdance de court-circuit de la source la frquence du rang h.

La tension au point de raccordement, v(t), est compose de la somme ci-dessous :

12

( ) ( ) ( )n

hh

v t v t v t=

= + (3) Avec :

1 1 1 1 1

1

( ) ( ) . 2 sin( )

( ) . 2 sin( )cc cc

h cch h cch

v t e t Z I t

v t Z I h t

= + += + + (4)

O :

1 ,cc cchZ Z reprsente le module de Zcc1 et Zcch respectivement.

1,cc cch reprsente largument de Zcc1 et Zcch respectivement.

De lquation (3), on constate que la tension du rseau nest plus sinusodale et est dforme par les

courants harmoniques par lintermdiaire de limpdance de court-circuit. Pour la rendre sinusodale

deux solutions sont possibles : modification de limpdance du rseau ou annuler les harmoniques de

courant [2].

es v1 Zcc1

vh Zcch ih

i1

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

11

Le taux de distorsion harmonique en tension est un paramtre qui sert valuer la dformation de la

tension et sexprime sous la forme suivante :

2

22 1

hv

h

vTHDv

== (5)

Il est possible aussi de caractriser les harmoniques par leur participation dans la puissance apparente.

Nous utilisons alors la notion de puissance dformante "D". Dans le cas dun rseau quilibr m phases,

la puissance apparente S, la puissance active P et la puissance ractive q sont donnes par les relations

suivantes :

2 21 1

. . .n n

h h eff effh h

S m V I mV I= =

= = (6)

1cos( )

n

h h hh

P m V I =

= (7)

1sin( )

n

h h hh

q m V I =

= (8) A son tour la puissance dformante caractrisant la contribution des harmoniques est dfinie par la

formule suivante :

212

n

hh

D mV I=

= (9) Finalement, le facteur de puissance sexprime comme suit :

12 2

1 1

cos( )

.

n

h h hh

n n

h hh h

V IPFPS

V I

=

= =

= =

(10)

On constate que le facteur de puissance est dgrad par la prsence des harmoniques.

Dans le cas dun systme triphas alimentant une charge non linaire quilibre (cas du

redresseur diodes), les fondamentaux des courants absorbs composent un systme direct (cest--dire

de mme squence que les tensions du rseau), les harmoniques multiples de 3 composent un systme

homopolaire (ils sont en phase), lharmonique 5 un systme inverse (la squence des phases est inverse

par rapport celle du rseau), lharmonique 7 un systme direct,.etc.

1.3.3 Consquences nfastes des harmoniques

Les courants et les tensions harmoniques ont des effets nfastes sur le fonctionnement, la

rentabilit et la dure de vie des quipements lectriques. Bien que les susceptibilits des diffrents

quipements et appareils lectriques, raccords un rseau pollu, soient trs diversifies, on distingue

deux sortes deffets possibles :

Chapitre 1:

12

les effets quasi-instantans : concernent certains types dappareillage, tels que llectronique de puissance, calculateurs, relais, systmes de contrle et rgulation,etc. La prsence des

harmoniques sur le rseau provoque le dplacement du passage par zro et des modifications de

la valeur crte de londe ;

les effets terme : se rapportent essentiellement aux machines tournantes, aux transformateurs et aux condensateurs, ce qui se manifeste par des chauffements supplmentaires et laugmentation

du niveau sonore. Il en dcoule la destruction de matriel ou plus frquemment une diminution

de leur dure de vie par surcharge thermique.

La liste suivante donne une ide de limpact des harmoniques sur certains quipements usage frquent

qui font partie intgrante du rseau lectrique, tels que les :

alternateurs : pertes supplmentaires dans les enroulements statoriques et dans les amortisseurs lies laugmentation de la valeur efficace du courant absorb. Ces pertes provoquent un

chauffement supplmentaire et rduisent galement le rendement de ces machines ;

cbles lectriques : pertes Joule supplmentaires, surtout dans les cbles de retour du neutre o circulent les courants harmoniques homopolaires et corrosion des cbles en aluminium sous

leffet de la circulation de courants harmoniques pairs associs une composante continue [2].

La prsence des harmoniques dans le rseau diminue aussi la capacit de transport en puissance

active des lignes ;

transformateurs : ils sont les constituants les plus directement affects par les courants harmoniques. Ces derniers produisent des pertes additionnelles dans les enroulements. Ces pertes

ne sont pas seulement dues leffet Joule pelliculaire, mais aussi des courants induits dans les

bobinages, le noyau et les pices mtalliques par les composantes hautes frquences des

champs de fuite [6] ;

moteurs courant alternatif : la dformation de la forme donde de la tension du rseau, due linteraction entre les courants harmoniques et limpdance quivalente du rseau, influe sur le

fonctionnement des machines lectriques courant alternatif en gnral et sur celui des moteurs

asynchrones en particulier (pertes supplmentaires dans le fer et les enroulements et pulsation du

couple) [5] ;

condensateurs : ils sont aussi trs affects par les courants harmoniques. Les condensateurs branchs en parallle sur les rseaux pour la compensation de la puissance ractive (correction

du facteur de puissance) ont des impdances dautant plus faibles que la frquence est leve.

Les courants harmoniques se superposent au courant fondamental et causent des pertes

supplmentaires qui peuvent excder la capacit thermique des condensateurs et rduire

considrablement leur dure de vie. De plus, des phnomnes de rsonance peuvent subvenir et

soumettre les condensateurs des surtensions, lesquelles sont susceptibles de les dgrader, voir

de perforer leur isolation [4] ;

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

13

quipements base dlectronique de puissance : dysfonctionnement li la dformation de la tension qui peut crer des faux passages par zro (perte de synchronisation) ;

ordinateurs : troubles fonctionnels lis la distorsion de la tension du rseau ; rseaux de tlcommunication : gnration de bruits importants lis au couplage

lectromagntique entre les lignes de puissance et les circuits de communication. Dans des cas

particuliers, surtout lors de rsonances, une partie des rseaux de tlcommunication peut tre

rendue inutilisable [2].

1.4 Perturbations produites par les redresseurs commutation naturelle Avant lapparition des convertisseurs statiques de llectronique de puissance, les courants de

magntisation des transformateurs, des machines lectriques et des ballasts constituaient lessentiel des

charges non linaires prsentes sur le rseau lectrique. Mais aujourdhui, avec le dveloppement de

llectronique de puissance, les convertisseurs statiques deviennent les sources dharmoniques les plus

rpandues sur le rseau [4]. Les redresseurs non contrls diodes et contrls thyristors, fonctionnant

en commutation naturelle, reprsentent la charge non linaire la plus usite. Ces convertisseurs sont

prsents dans de nombreux quipements industriels et domestiques ainsi que dans les dispositifs de

conversion de lnergie lectrique. Nous citons ci-dessous les applications les plus courantes :

- variateurs de vitesse pour moteurs alternatifs et courant continu ; - circuit dexcitation des alternateurs ; - chargeurs de batterie ; - liaison courant continu (HVDC) ; - alimentation des systmes informatiques et audio visuels ; - dispositifs dclairage de nouvelle gnration.

Nous distinguons deux structures de redresseurs :

1. ponts de diodes : constitue ltage de conversion dnergie AC/DC (alimentation du bus continu des onduleurs pour les variateurs de vitesse des machines courant alternatif par exemple) ;

2. ponts de thyristors : mme rle que le pont diodes avec la possibilit de contrler le niveau de tension continue en sortie et lajout de la rversibilit du flux dnergie.

La figure 1.4 reprsente le montage du pont redresseur triphas diodes. Celui du pont thyristors est

obtenu par substitution des diodes par des thyristors. Une inductance de couplage est souvent place

lentre du redresseur pour limiter les courants de courts-circuits entre phases pendant les commutations

des semi-conducteurs dus aux phnomnes dempitement.

Avec : ea, eb, ec : tensions du rseau, ia, ib, ic : courants absorbs par le pont ;

vdc, Idc : tension et courant du bus continu ;

Ls, rs: inductance et rsistance de la ligne ;

C : capacit de sortie permettant de filtrer la tension continue de sortie.

Chapitre 1:

14

Figure 1.4 Pont redresseur triphas diodes.

La figure 1.5.a illustre les formes dondes des courants non sinusodaux absorbs par le pont redresseur

triphas diodes, obtenues par simulation, avec insertion dune inductance de couplage (L=19.5 mH). La

figure 1.5.b reprsente le spectre associ o apparait la prdominance des harmoniques de rang 5, 7, 11 et

13 et limportance de la distorsion harmonique en courant (THDi= 20.26%).

Figure 1.5 Courants absorbs par le pont redresseur diodes et spectre associ.

Les rsultats exprimentaux sont illustrs sur les figures ci-aprs. Les courants de la figure 1.6

correspondent au fonctionnement sans inductance de couplage. La figure 1.7 reprsente les courants

obtenus lors de linsertion dune inductance de couplage (L=19.5 mH), ainsi que le spectre et le

diagramme vectoriel des fondamentaux des courants absorbs et des tensions du rseau. On constate que

les courants possdent un taux de distorsion lev (THDi=18.8%) et que leurs termes fondamentaux sont

0.46 0.465 0.47 0.475 0.48 0.485 0.49 0.495 0.5-2

-1.5

-1

-0.5

0

0.5

1

1.5

2

ia ib ic

t[s]

(a)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 1000

20

40

60

80

100

Harmonic order

Fundamental (50Hz) = 1.713 , THD= 20.26%

Mag

(% o

f Fun

dam

enta

l) h=1

h=5 h=7 h=11

(b)

C

Cha

rge

~~~

ia

ib

ic

Ls rs ea

eb

ec

Idc

vdc

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

15

dphass par rapport aux tensions dun angle de 23, ce qui signifie que le pont redresseur consomme de

la puissance ractive la frquence fondamentale.

Figure 1.6 Courants absorbs par le pont redresseur diodes connect directement au rseau.

Figure 1.7 Forme dondes des courants absorbs, spectre frquentiel et diagramme vectoriel pour le pont redresseur

diodes avec inductance de couplage.

1.5 Normes et rglementations

Afin de limiter linfluence dune charge polluante sur les autres charges connectes au rseau et

en mme temps viter la modification des caractristiques de ce dernier, les distributeurs dnergie

ea

ic

ia

ib

ea

ia

ib

ic

Chapitre 1:

16

lectrique ont t amens mettre des recommandations. Ces recommandations concernent les

exigences au point de raccordement de lusager sur le rseau lectrique. Un exemple de ces

recommandations (les plus anciennes) stipule que chaque utilisateur pris sparment, doit, son point de

raccordement, respecter les limites de perturbations en tension suivantes [2] :

- harmoniques pairs : Vh/V1

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

17

Tableau 1.2 : Classification des normes concernant la qualit dnergie lectrique

Thmes Normes

Classification de la qualit dnergie CEI 61000-2-5 :1995 CEI 61000-2-1 :1990 IEEE 1159 :1995

Creux /Surtension/Interruption CEI 61009-2-1 :1990 IEEE 1159 :1995

Harmoniques CEI 61000-2-1 :1990 CEI 61000-2-2 CEI 61000-3-2 CEI 61000-4-7 :1991 IEEE 519 :1992

Flicker de tension CEI 61000-4-15 :1997 Transitoires CEI 61000-2-1 :1990

CEI 816 :1984 IEEE 1159 :1995 IEEE C62.41 :1991

Le tableau 1.3, repris de la norme CEI 61000-2-2, prsente les caractristiques et le niveau de

compatibilit pour les harmoniques au point de raccordement du client pour un rseau satisfaisant la

norme CEI 1000-2-4 [8].

Tableau 1.3 : Niveau de compatibilit pour les tensions harmoniques sur les rseaux basse tension

(Norme CEI 61000-2-2)

Rangs impairs non multiples de 3

Rangs impairs multiples de 3

Rangs pairs

Rang Tension harm. (%) Rang Tension harm.

(%) Rang Tension harm.

(%) 5 7

11 13 17 19 23 25

>25

6 5

3.5 3 2

1.5 1.5 1.5

0.2+1.3*25/h

3 9

15 21

>21

5 1.5 0.3 0.2 0.2

2 4 6 8

10 12

>12

2 1

0.5 0.5 0.5 0.2 0.2

1.6 Solutions possibles pour rduire les harmoniques et damliorer la qualit de lnergie

Afin de diminuer les perturbations en tension ou en courant, il est possible dagir deux niveaux :

1. du cot de la source en filtrant la tension du rseau ou en amliorant le rseau de transport et celui de distribution ;

2. du cot du client en rendant le courant de ligne le plus sinusodal possible.

Chapitre 1:

18

Plusieurs solutions ont t envisages pour limiter la propagation des harmoniques et amliorer la

qualit et la gestion de lnergie lectrique. Elles peuvent tre classes en deux catgories, traditionnelles

et modernes ( base de llectronique de puissance).

1.6.1 Solutions traditionnelles de dpollution

Les moyens de dpollution traditionnels sont nombreux et se rsument dans points suivants :

- inductance anti-harmonique de protection des condensateurs ; - inductance de lissage des courants ; - confinement des harmoniques ; - lutilisation de transformateurs couplage appropri permettant de limiter la circulation des

courants harmoniques [12, 13] ;

- augmentation de lindice de modulation ; - filtres passifs utilisant des lments ractifs en loccurrence des inductances et des condensateurs

[14].

Vue leur importance pratique, nous nous limiterons dans ce qui suit dtailler uniquement les filtres

passifs.

Filtrage passif Il sagit des premiers dispositifs utiliss pour llimination dharmoniques. Ils sont composs par

des lments passifs comme des inductances, des capacits et des rsistances. En gnral, les filtres

dharmoniques sont connects en parallle avec les charges injectant des courants harmoniques (les

redresseurs diodes ou thyristors, fours arcs lectrique, etc.). Lassociation dlments capacitifs et

inductifs en parallle avec la charge polluante permet dobtenir une rsonance srie accorde sur les

rangs harmoniques liminer. Diffrents types possibles de filtres passifs destins compenser les

courants harmoniques sont reprsents sur la figure 1.8 [9].

Figure 1.8 Diffrents types de filtres harmoniques passifs.

(a) Bandpass

or Notch

(b) Highpass

or First order

(c) C-type

(d) Pi-type

Or Bridge-type

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

19

Le filtre harmonique passe-bande illustr sur la figure 1.8 (a) est le plus simple et est largement

appliqu. Son avantage est limpdance presque nulle la frquence daccord, conduisant un filtre

presque parfait cette frquence. Un inconvnient est la possibilit doccasionner une rsonance avec

limpdance du rseau pour les frquences en dessous de sa frquence de coupure et en dautres termes

damplifier dautres composantes harmoniques [4].

La figure 1.8 (b) montre le filtre harmonique passe-haut qui peut tre un compromis entre filtrer

une frquence bien cible et attnuer les harmoniques des frquences suprieures. Ce filtre est

gnralement ajust aux 7me ou 11me rangs harmoniques.

Le filtre harmonique de type C, illustr sur la figure 1.8 (c), a des caractristiques similaires au

filtre harmonique passe-haut, avec lavantage que la rsistance ne consomme pas de puissance la

frquence fondamentale du rseau. Il est souvent employ dans les applications de four arc o il existe

des interharmoniques [9, 10].

La figure 1.8 (d) illustre le filtre harmonique de type Pi qui est essentiellement compos de deux

filtres passe-bande avec une rsistance connecte au point mdian. Lintrt principal de ce filtre est sa

bonne caractristique de filtrage aux deux frquences de rsonance.

Le choix le plus commun pour le redresseur thyristors de haute puissance consiste utiliser une

combinaison de plusieurs filtres rgls sur une seule frquence (sur les harmoniques 5, 7, 11 et 13) et un

filtre passe-haut du deuxime ordre rgl autour de la frquence de lharmonique 17 comme illustr sur

la figure 1.9 [10, 15].

Figure 1.9 Combinaison de filtres passifs pour redresseur thyristors.

La fonction de transfert de cette combinaison de filtres est donne ci-aprs :

2

5 7 13 17 1711

2 2 2 2 2

5 5 7 7 11 11 13 13 17 17 17

1 1 1 1 11

( ) 1 1 1 1 1 1

s s s s ssL L L R LLG s

s s s s s sC L C L C L C L R C L

+= + + + +

+ + + + + +

Malgr lefficacit, le pouvoir de corriger le facteur de puissance, la simplicit et le cot, cette

configuration de filtres passifs pose tout de mme certains problmes :

C5

C7 C11 C13 C17

L5 L17 L7 L11 L13 R17

~ Rch Cch Rseau

Charge non linaire

is ich ifp Lch

h=5 h=7 Passe-haut h=11 h=13

Chapitre 1:

20

- le dimensionnement dpend du spectre harmonique de la charge et de limpdance de la source, cette dernire est dailleurs susceptible dengendrer des rsonances ;

- le filtre passif peut absorber les courants harmoniques dautres charges non linaires prsentent sur le mme rseau et entrainer dans cette hypothse une surcharge ;

- toute modification du rseau (restructurations, nouveaux clients, ), par changement de la frquence daccord, peut rendre le filtre passif inadapt et perturbateur (phnomne de

rsonance) ;

- les filtres passifs sont encombrants et prsentent des risques de drive de la frquence au fur et mesure que les composants vieillissent.

Cette solution est donc dune efficacit moyenne, elle offre trs peu de flexibilit et quasiment

aucune volutivit [11]. Pour toutes ces limitations une attention particulire a t porte aux solutions

bases sur llectronique de puissance.

1.6.2 Solutions modernes base dlectronique de puissance

Les progrs remarquables raliss dune part dans le domaine des composants semi-conducteurs,

comme les IGBT, IGCT, GTO et MOSFET, ainsi que la matrise de leur mise en uvre et dautre part

lexistence de nouvelles mthodes de traitement analogique et numrique du signal, ont permis

lmergence de moyens modernes et efficaces pour faire face aux diffrentes perturbations (harmoniques,

puissance ractive, fluctuations, creux de tension) affectant les systmes lectriques [4]. Parmi ces

moyens modernes, nous pouvons citer :

les filtres actifs: parallles, sries, hybrides et combinaisons des structures ; les alimentations sans interruption ; les dispositifs FACTS ; les convertisseurs prlvement sinusodal.

1.6.2.1 Filtres actifs Les principes de base des filtres actifs (compensation active) pour les harmoniques perturbateurs

ont t proposs autour de la dcennie de 1970 [16-19]. Depuis, beaucoup de recherches ont t

dveloppes sur ces systmes et leurs applications pratiques [10], [20], [23], [77], [143,144].

Un filtre actif de puissance se compose dun onduleur command par modulation de largeur

dimpulsion (MLI/PWM), connect au rseau par lintermdiaire dun filtre passif, et dun bus continu.

Ce convertisseur PWM constituant le filtre actif peut avoir deux structures diffrentes en fonction de

llment de stockage du bus continu. Le convertisseur de type tension (onduleur de tension) ou VSC

(Voltage Source Converter) utilise un condensateur pour stocker lnergie au niveau du bus DC et

imposer ainsi la nature source de tension lentre de londuleur. Le condensateur peut tre remplac par

une inductance, qui joue alors le rle dune source de courant continu. Dans ce cas, ce type de

convertisseur prend la dnomination donduleur de courant [5], [12], [21-22].

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

21

La structure utilisant londuleur de tension est prfre pour les facilits quelle apporte en

termes de circuits de commande et de fiabilit. En plus, cette structure reste relativement moins coteuse,

les pertes sont infrieures et elle peut tre utilise aisment dans des structures multiniveaux ou

multicellulaires [23], [146-153]. Cette topologie est assimilable une source de courant au point de

raccordement ; lorsquelle est connecte en parallle elle limine directement les perturbations en

courants harmoniques en injectant sur le rseau des courants en opposition de phase et de mme

amplitude par rapport aux perturbations existantes. En plus, ce type de filtre actif est en mesure de

compenser non seulement la pollution harmonique en courant mais aussi la puissance ractive et les

dsquilibres en tension et en courant.

Le filtre actif offre de nombreux avantages par rapport aux filtres passifs [3, 4] :

il sadapte automatiquement lvolution des charges et du rseau ; il peut raliser une compensation globale ou slective des composantes harmoniques dans la

limite de sa bande passante ;

il ny a aucun risque de surcharge lorsque le niveau de pollution harmonique compenser dpasse le dimensionnement du filtre actif. Le filtre fonctionne au maximum de ses capacits et

tout risque de destruction est cart ;

le risque de rsonance entre filtre actif et impdance du rseau est attnu (contrairement au filtrage passif) ;

la compensation simultane de la pollution harmonique et de la puissance ractive ou des dsquilibres sont envisageables ;

le volume physique du filtre est plus rduit.

Pourtant, ils possdent aussi quelques inconvnients :

leur cot lev a limit leur implantation dans lindustrie ; labsence de rglementation spcifique nincite pas leur intgration ; les pertes sont lgrement plus leves.

En fonction de leur mode de connexion au rseau, les filtres actifs sont dissocis en deux familles : les

filtres actifs parallle et srie.

1. Filtre actif parallle-FAP

Le filtre actif parallle, appel aussi compensateur shunt, prsent sur la figure 1.10 permet, avec une

commande approprie, de neutraliser les courants harmoniques des charges polluantes et de compenser

les dsquilibres et les courants ractifs.

Gnralement, une analyse pralable de la charge permet didentifier les perturbations et de les

compenser au niveau du rseau via le filtre actif parallle. Le courant rsultant ct rseau est de forme

sinusodale, voire en phase avec la tension au point de raccordement dans le cas dune compensation

dharmoniques et du fondamental ractif [7], [145].

Chapitre 1:

22

Figure 1.10 Topologie du filtre actif parallle de puissance.

2. Filtre actif srie-FAS

Le filtre actif srie se comporte comme une source de tension qui soppose aux tensions

perturbatrices (creux, dsquilibre, harmoniques) venant de la source et galement celles provoques

par la circulation des courants perturbateurs travers limpdance de rseau. Il empche les courants

harmoniques consomms par la charge non linaire de remonter vers la source [28, 29]. Dans ce cas, il se

comporte comme une impdance leve aux frquences harmoniques et comme une impdance nulle la

frquence fondamentale. Ainsi, la tension aux bornes de la charge protger est purement sinusodale

[24,25]. Les perturbations de tension dans le systme sont attnues en injectant la diffrence entre la

tension dsire et la tension relle comme le montre la figure 1.11. Llment de stockage de lnergie

dun filtre actif srie est conu pour rpondre aux exigences de compensation les plus svres,

notamment dans le cas de creux de tension de longue dure [26, 27].

Figure 1.11 Topologie du filtre actif srie de puissance.

1.6.2.2 Filtres actifs hybrides

Les filtres actifs hybrides se scindent en deux grandes familles qui rsultent de combinaisons soit

de filtres actifs soit dassociations de filtres actifs et passifs. Dans le premier cas, cest lassociation des

filtres actifs types, savoir parallle et srie. Ainsi, lobjectif vis est la non pollution dun rseau par

une charge perturbatrice et simultanment le bon fonctionnement dune charge ou dun rseau sensible

~ Rch Cch Rseau

Charge non linaire

is Lch

Cdc

Filtre actif srie

Lf

vf

Cf

~ Rch Cch Rseau

Charge non linaire

is Lch

Cdc

Filtre actif parallle

if

Lf

0 0

0

ich

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

23

dans un environnement pollu. Le traitement seffectue donc deux niveaux par rapport un point

considr ; dpollution par un filtre actif parallle en aval et par un filtre actif srie en amont. La

deuxime famille combine la mise en uvre simultane de filtres passifs accords et actifs. Les filtres

passifs liminent gnralement les harmoniques en basses frquences et peuvent fournir aussi de

lnergie ractive, cette solution entraine une rduction du dimensionnement du filtre actif qui nest

affect quau traitement des autres perturbations. De plus, ces topologies amliorent lefficacit des

filtres passifs. Les combinaisons de ces structures hybrides sont nombreuses, nous pouvons citer les

associations les plus usites :

1- mise en parallle dun filtre actif shunt et dun (de) filtre(s) passif(s) connect(s) en drivation avec la (les) charge(s) polluante(s) ;

2- filtre actif srie avec un (des) filtre(s) passif(s) en parallle(s) ;

3- filtres passifs rsonnants en srie avec un filtre actif (Fig. 1.11) qui constitue les configurations les plus rcentes [35].

Pour le cas numro 1, le plus souvent le filtre passif est form par deux filtres rgls aux frquences des

harmoniques 5 et 7 et un filtre passe-haut accord autour de la frquence de lharmonique 11. Le filtre

actif permet dans ce cas dviter des rsonances entre les lments passifs et le rseau [10]. Depuis 1990

[34], de nombreux travaux de recherches ont t conduits sur les filtres actifs hybrides [36-41]. La raison

essentielle rside dans lattractivit de ces associations par la rduction du cot du filtre actif mais aussi

par la faisabilit pour des applications de fortes puissances [10, 20].

Figure 1.12 Topologie du filtre actif hybride.

1.6.2.3 Les alimentations sans interruption (UPS)

Les alimentations sans interruption ont t dveloppes au dbut des annes 60 pour protger les

grands centres informatiques. Depuis, elles se sont gnralises et sont devenues des dispositifs usage

quasi systmatiques. Une alimentation sans interruption ou de secours est destine faire face aux

perturbations affectant la tension du rseau (creux, variations de frquence, coupures). Son principe est

de produire un systme de tensions alternatives purement sinusodales assurant la continuit de

lalimentation des charges critiques, dont la performance est en outre garantie par une batterie intgre

[7].

~ Rch Cch Rseau

Charge non linaire

is

Lch

Cdc

Filtre actif

if C7

L7 Filtre passif

Chapitre 1:

24

Figure 1.13 Topologie dune alimentation sans interruption avec ses trois modes dopration.

Une alimentation sans interruption est constitue principalement par deux convertisseurs :

1. un onduleur de tension destin produire un systme de tensions alternatives de forme sinusodale pour suppler le rseau si ncessaire.

2. un redresseur diodes connect au rseau alternatif pour alimenter le bus continu de londuleur et pour charger une batterie daccumulateurs.

De nombreuses topologies et stratgies de commande ont t proposes dans la littrature concernant les

alimentations sans interruption [37-44]. La figure 1.13 reprsente lune de ces topologies ainsi que les

diffrents modes doprations possibles. 1.6.2.4 Les FACTS

Les systmes de transmission en courant alternatif flexibles, terme traduit de langlais "Flexible

Alternating Current Transmission Systems (FACTS)", peuvent contribuer faire face aux problmes

rencontrs dans lexploitation des rseaux lectriques. Le concept FACTS, introduit en 1986 par

lElectric Power Research Institute (EPRI), regroupe lensemble des dispositifs bass sur llectronique

de puissance qui permettent damliorer lexploitation dun rseau lectrique [45]. Son dveloppement

est troitement li aux progrs raliss dans le domaine des composants semi-conducteurs de puissance

et plus particulirement des lments commandables tels que le thyristor et le thyristor GTO. Des tudes

et des ralisations pratiques ont mis en vidence lnorme potentiel des dispositifs FACTS [46-47].

Entre ac

Entre ac (Dviation)

Interrupteur manuel (maintenance)

Interrupteur statique

Redresseur/Chargeur

Batterie

Charge

Onduleur

Mode normal

Mode nergie stocke Mode by-pass

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

25

Plusieurs types de FACTS, avec des architectures et des technologies diffrentes, ont t dvelopps.

Parmi eux, les plus connus sont le SVC (Static Var Compensator), le STATCOM (Static Synchronous

Compensator), le TCSC (Thyristor Controlled Series Capacitor) et lUPFC (Unified Power Flow

Controller). Les figures 1.14 et 1.15 dcrivent les schmas de principe de ces structures. Chacune delle

possde ses propres caractristiques et peut tre utilise pour rpondre des besoins bien prcis.

Dans un rseau lectrique, les FACTS permettent de remplir des fonctions tant en rgimes

stationnaires quen rgimes transitoires. Ils agissent gnralement en absorbant ou en fournissant de la

puissance ractive, en contrlant limpdance des lignes ou en modifiant les angles des tensions [48]. Les

dispositifs FACTS sont utiliss principalement dans les contextes suivants:

limitation des variations de la tension une valeur assigne en un point du rseau et ce quelles que soient les variations de la charge ;

augmentation de la rserve de stabilit transitoire ; attnuation des oscillations de puissance ; contrle des transits de puissance sur les lignes et liaisons afin de rduire les surcharges.

Le mode de connexion au rseau est une caractristique essentielle qui dtermine en grande partie le

mode daction dun dispositif FACTS. On distingue ainsi les classes suivantes [49] :

1. les dispositifs FACTS shunt (parallle) ; 2. les dispositifs FACTS srie ; 3. les dispositifs FACTS combins srie-parallle.

Figure 1.14 Structure de dispositifs FACTS shunt : (a) SVC, (b) STATCOM.

C

i v

Filtre TCR TSC

i

v

(b) (a)

Chapitre 1:

26

Figure 1.15 Structure de dispositifs FACTS srie et combin : (a) UPFC, (b) TCSC.

1.6.2.5 Prlvement sinusodal

Laccroissement des quipements lectriques utilisant des convertisseurs statiques de type

redresseur a connu un essor important aussi bien sur le plan industriel que domestique. Cest ainsi que le

rseau de distribution BT est le sige de perturbations importantes que le distributeur a du mal enrayer.

Sans prcautions particulires ces convertisseurs sont polluants et absorbent des courants harmoniques

qui ne sont pas sans effets sur londe de tension dlivre. Devant ce constat, il apparat important de

dvelopper sur le plan industriel des dispositifs de filtrage actif au niveau curatif et une dmarche

prventive afin de concevoir des alimentations non polluantes, cest--dire dotes dune structure et dun

dispositif de commande rendant le courant prlev le plus sinusodal possible [50].

Le prlvement dun courant sinusodal engendre une nouvelle structure de conversion AC/DC,

diffrente de la version classique, o le courant peut tre contrl. Dans ce contexte, trois structures ont

t dveloppes et prsentes dans la littrature, dont deux structures incluent une inductance pour

pouvoir contrler le courant absorb :

la premire utilise un hacheur lvateur de type BOOST en cascade avec un redresseur monophas diodes, reconnue par lacronyme PFC (Power Factor Correction) ;

la deuxime structure fait appel un onduleur MLI fonctionnant en redresseur, dsign sous le nom redresseur modulation de largeur dimpulsion (MLI) ;

la troisime structure est base sur linjection de courant dans le rseau. Elle est constitue dun redresseur triphas diodes et de deux circuits auxiliaires, de modulation et de distribution.

1.6.2.5.1 Correction du facteur de puissance (PFC) La structure de base du convertisseur AC/DC avec correction du facteur de puissance ainsi que

son principe de commande sont illustrs sur la figure 1.16. Il sagit dun redresseur en pont diodes

Convertisseur srie Convertisseur shunt

iTCSC(c)

(d)

La Pollution Harmonique due aux Convertisseurs Statiques : Causes et Remdes

27

connect au rseau et dot dun tage de correction plac entre la sortie du pont et la charge. Cet tage de

correction du facteur de puissance bas sur une structure dhacheur lvateur comprend une inductance,

un interrupteur de puissance double commande (TB, IGBT, MOSFET) et une diode de puissance. Cet

ensemble est mis en parallle avec le condensateur du bus continu. Le convertisseur AC/DC ainsi obtenu

constitue une structure lvatrice et non rversible, mettant en jeu un seul interrupteur commandable.

Figure 1.16 Structure et principe de commande dun convertisseur AC/DC avec PFC.

Diverses stratgies de commande ayant toutes un objectif commun : la mise en forme des

courants prlevs sur le rseau, ont t proposes pour cette structure [51-58]. Le principe de

prlvement sinusodal consiste forcer le courant circulant dans linductance suivre une rfrence

sinusodale redresse, en contrlant la fermeture et louverture de linterrupteur command de puissance.

Lamplitude de cette rfrence est fournie par la boucle dasservissement de la tension du bus continu,

tandis que la forme sinusodale est obtenue par lintermdiaire dune PLL synchronise avec le rseau

dalimentation. Cette solution garantit lobtention dun facteur de puissance unitaire pour le terme

fondamental au niveau du rseau.

Il convient aussi de noter que cette structure est ralise partir dun pont redresseur monophas.

Dans le cas dun rseau triphas, un seul interrupteur doit contrler les trois courants absorbs. Ceci rend

la commande trs complexe et beaucoup moins performante. Pour cette configuration, on privilgie

plutt lutilisation du redresseur injection de courant ou redresseur MLI.

1.6.2.5.2 Redresseurs injection de courant

Les redresseurs triphass injection de courant sont apparus au dbut des annes 1990, suite

des tentatives damliorer les performances des convertisseurs AC/DC dj prsents. Le schma

synoptique de cette structure est reprsent sur la figure 1.17. Un circuit de modulation cre, par le

procd de mise en forme des courants la sortie du pont diodes, un courant qui est inject au rseau

~ Rseau

Redresseur

Rch C

D L

vdc

Rgulateur

Contrleur de courant/PWM

gnrateur PLL

vdc*

vdc

+ +

-

-

iL

Bloc de commande

Chapitre 1:

28

dalimentation laide dun circuit de distribution. Linjection dun tel courant permet de compenser les

paliers zro des courants de ligne, inhrents au fonctionnement normal du pont diodes. Plusieurs

variantes de ce type de convertisseur existent actuellement ; elles ce distinguent par la nature des circuits

de modulation et de distribution qui peuvent tre soit passifs, soit actifs [59-65].

Figure 1.17 Schma synoptique dun redresseur triphas injection de courant.

1.6.2.5.3 Redresseurs MLI

Les redresseurs MLI sont des onduleurs exploitant leurs rversibilits en courant dans le

deuxime mode de fonctionnement. Grce la commande MLI, ces convertisseurs peuvent prlever des

courants sinusodaux sur le rseau alternatif et assurer aussi un facteur de puissance unitaire. Selon le

type donduleur utilis, nous distinguons deux structures de redresseurs MLI :

redresseur MLI de courant ; redresseur MLI de tension.

1. Redresseur MLI de courant

La topologie du redresseur MLI de c