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1
Qualité de l’énergie
Power quality in electrical power systems
Delphine [email protected]
Grenoble-INP, Ense3, G2Elab, 2013/ 2014
2
Qu’est-ce que la qualité de l’énergie ?
3
Qu’est-ce que la qualité de l’énergie ?
Réseau de bord d’un navire tout électrique
Constituants du Réseau de distribution français(donnée ERDF)
4
Introduction
Les caractéristiques (donc la qualité) du vecteur électricité dépendent:– Du producteur– Du distributeur– Des fabricants d’équipement– Du client !
� Problématique complexe de la qualité d’énergie� Besoin d’une méthodologie rigoureuse
� Diagnostic� Études� Solutions� Mise en œuvre� Maintenance préventive
5
Introduction
La continuité de tension (fiabilité) relève:– de la conception du réseau (de distribution, industriel)– De la qualité du matériel– Des bonnes pratiques de maintenance et d’exploitation
� Compromis technico-économique historique
La continuité est caractérisée par :le nombre de coupures d’alimentation par unité de temps
Coupures longues (> 3 min) ou brèves (< 3 min)
6
Introduction
La qualité de tension (problématique plus récente) relève:– Du maintien de la valeur et de la fréquence de la tension aux
limites définies par la réglementation– De l’absence de perturbations
• Variations rapides de l’amplitude (creux ou à-coups de tension)• Variations de la forme de l’onde de tension (harmoniques et
interharmoniques)• Déséquilibres• Variations de la fréquence d’alimentation
� Dimensionnement de l’installation� Compromis technico-économique pour respecter des
normes
7
Introduction
La Compatibilité ElectroMagnétique (CEM) relève:– Du droit pour les charges d’émettre des perturbations– De l’acceptation pour le réseau d’une certaine déformation liée à
la perturbation
� Définition de gabarits pour chaque charge définissant les déformations maximales de la tension liées aux courants consommés perturbateurs
8
Introduction
Impacts économiques et sociaux• Perte de continuité de service ou manque de qualité
• Coût élevé : manque à produirepertes matières premièresremise en état du système de productionretards de livraison
• Sûreté des personnes (ascenseurs, balisage ou éclairage, hôpitaux)
• Surdimensionnement des installations et factures énergétiques– Vieillissement prématuré des équipements– Baisse des rendements énergétiques
9
Introduction
Contexte encourageant un soin particulier à la QEE:• Multiplication des équipements sensibles et générateurs de
perturbations (convertisseurs d’électronique de puissance)
� Normes de plus en plus contraignantes
• Libéralisation des marchés énergétiques
� La QEE devient un facteur différentiateur pour un fournisseur d’énergie dans un contexte concurrentiel
• Respect de l’environnement� Production d’énergie à base de systèmes décentralisés (EnR)
10
Plan du cours de Qualité de l’Energie Electrique(QEE pour les intimes)
11
Plan du cours
• Rappels mathématiques
• Théorie énergétique généralisée
• Description et impacts des perturbations sur la tension– Harmoniques et inter harmoniques
– Creux de tension, coupures, à coups, flickers
• Solutions préventives, solutions curatives– Pré-conception d’un réseau pour réduire les risques
– Techniques de filtrage du courant
• Amélioration de la qualité de l’onde avec des systèmes d’Electronique de Puissance
12
1. Rappels mathématiques
13
Rappels mathématiques
• Notion de phaseur– Pour une onde idéale
– Pour une onde triphasée équilibrée directe
( )000 2cos.2)( Φ+= tXtX πω 0.0Φ= jeXX
+Φ
−Φ
Φ
=
=
=
3
2
3
2
0
0
0
.
.
.
π
π
j
effc
j
effb
jeffa
eXX
eXX
eXX
Xa
Xb
Xc
14
Rappels mathématiques
• Rappel sur les composantes symétriques (théorème de Fortescue)
3
2j
ehomopolair systèmeinverse système
2
direct système
2 ea
1
1
1
.
1
.
1
.π
=
+
+
=
3214342143421
hid
c
b
a
X
a
aX
a
aX
X
X
X
Tout système triphasé peut s’écrire sous la forme d’une combinaison linéaire de trois systèmes triphasés :
- système triphasé équilibré direct : composante directe (Xd)
- système triphasé équilibré inverse : composante inverse (Xi)
- système triphasé équilibré homopolaire : composante homopolaire (Xh)
15
Rappels mathématiques
• Transformée de Fourier d’un signal T-périodique
( ) ( )( )
( ) ( )
( ) ( )∫
∫
∑
=
=
=
++=∞
=
π
π
ωωπ
ωωπ
πω
ωω
2
0
2
0
1
0
.sin).(1
.cos).(1
.2.
sin.cos.2
)(
tdthtfb
tdthtfa
T
thbthaa
tf
h
h
hhh
Coefficients de Fourier (calculés numériquement)
16
Rappels mathématiques
• Transformée de Fourier d’un signal T-périodique mais discret (cas d’un nombre d’intervalles impair découpant une période)
( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( ) ( ) ( )∑∑
∑
∑
==
=
=
++=
+=
=
=
=
n
hh
n
hh
N
kkh
N
kkh
hxlbhxlaalxf
Nnn
l
hklflb
hklfla
110
.2
0
.2
0
sin.cos.2
1;
12
2
sin.1
cos.1
ππ
πLes deux fonctions
(continue et discrète) sont égales pour x = h.l
L’échantillonnage du signal doit respecter le critère de
Shannon
17
Rappels mathématiques
• Rappel sur les composantes harmoniques en courants
– Les harmoniques de rang (3m) constituent un système homopolaire• Harmoniques en courant éliminables en utilisant le couplage des
transformateurs
– Les harmoniques de rang (3m+1) constituent un système direct• Les fondamentaux forment un système direct
– Les harmoniques de rang (3m-1) constituent un système inverse
18
Rappels mathématiques
• Transformation de grandeurs triphasés dans un référentiel fixe (α,β)
• Transformation de grandeurs triphasés dans un référentiel « tournant » (d,q)
θ : angle de la tension du réseau (estimé par une PLL)
−
−−=
3
2
1
.
2
3
2
30
2
1
2
11
3
2
X
X
X
X
X
β
α
+−
−−−
+
−=
3
2
1
.
3
2sin
3
2sinsin
3
2cos
3
2coscos
3
2
X
X
X
X
X
q
d
πθπθθ
πθπθθ
19
2. Théorie énergétique généralisée sous distorsion harmonique et déséquilibres
20
Théorie énergétique généralisée
• Définition de la puissance et de l’énergie en régime sinusoïdal équilibré
( ) ( ) ( )
( )
( ) ( ) .1
.1
.
.1
.
22∫=∫=
=
∫=
=
++
+
Tt
t
Tt
t
Tt
t
duuiT
IduuvT
V
IVS
duupT
P
titvtpPuissance instantanée :
Puissance active :
Puissance apparente :
21
Théorie énergétique généralisée
• Théorie énergétique sous distorsion harmonique– Théorie de BUDEANU : séparation de la puissance apparente triphasée en
trois composants orthogonales
222..3 DQPIVS ++==
P : puissance active généralisée (fondamental et harmoniques)
Q : puissance réactive généralisée (fondamental et harmoniques)
D : puissance déformante (ni active, ni réactive)
==
+=
==
+=
∑
∑
≠
≠
1
1111
1
1
1111
1
sin..3
sin...3
cos..3
cos...3
kkkkh
h
kkkkh
h
IVQ
IVQQQQ
IVP
IVPPPP
φφ
φφ
iTHDS
PFP
+==
1
cos 1φ
Avec uniquement des harmoniques en courant :
22
3. Description et impacts des perturbations sur la tension
23
Perturbations harmoniques
• Origines– Charges consommant un courant non sinusoïdal (électronique de
puissance)– Charges non linéaires (saturation magnétique, électronique de
puissance)
• Propagation– Seuls les harmoniques en courant sont considérés (pour éviter les
démarches itératives : courant déformé � tension déformée � courant déformé …)
– Deux types d’obstacle sont rencontrés sur le réseau:• Des bifurcations (avec des impédances différentes pour chaque rang
harmonique)• Des impédances asymétriques (impédance homopolaire modifiant le
parcours des harmoniques multiples de 3)
24
Perturbations harmoniques
• Effets– Effets quasi instantanés sur certains appareillages (EP, calculateurs,
automates, …)– Effets à plus long terme sur les charges (échauffements supplémentaires,
diminution de la durée de vie)
– Instabilités potentielles de réseau DC (cf cours Réseaux Embarqués)
25
Perturbations inter-harmoniques
• Origine– Fréquences de commutation différentes de convertisseurs
connectés sur le même bus d’alimentation
– Harmoniques de rang (f2 – f1)
• Effets– Identiques aux harmoniques– Risque d’instabilités dynamiques par dépistage difficile
26
Perturbations harmoniques
• Description– Ecart observé par rapport à la forme sinusoïdale de référence– Plusieurs catégories d’onde déformante
• Harmonique si f = k.f0
• Inter-harmonique si f > f0 et f ≠ k.f0
• Infra-harmonique si f < f0
• Bruit aléatoire si phénomène large bande
27
Perturbations harmoniques
• Description– Cas de la pollution harmonique
( ) ( )∑∞
=
+++=2
0000 2cos.2cos.)(h
kk tkfXtfXtX φπφπ
( )0
0
2
2
X
XkTHD
X
X
THD
kX
kk
X
=
=∑
∞
=Taux de distorsion harmonique global :
Taux de distorsion harmonique individualisé :
28
Perturbations harmoniques
• Description– Norme EN 50 160
5 %0,5 %6 %1 %5 %2 %THDv(k)
765432k
29
Perturbations harmoniques
• Description– Norme CEI 1000-2-4 sur les émissions de courants harmoniques
(courants appelés par les appareils < 16 A par phase de classe A)
0,15×15/k15 ≤ k ≤ 390,36
0,21131,145
0,33110,434
0,492,33
0,7771,082
Courant (A)OrdreCourant (A)Ordre
30
Perturbations harmoniques
• Description– Norme CEI 1000-3-2 pour la distorsion en tension pour 1 kV < V < 30 kV
0,2+(1,3×25/k)> 25
1,5 %25
0,2 %> 121,5 %23
0,2 %
0,2 %
0,3 %
1,5 %
5 %
12
10
8
6
4
2
0,2 %1,5 %19
0,5 %> 212 %17
0,5 %213 %13
0,5 %153,5 %11
1 %95 %7
2 %36 %5
31
Variations de fréquences
• Définition : variations de la fréquence fondamentale• Modèle mathématique :
• Norme EN 50160f0(t) moyennée sur 10s – Niveaux BT ou MT50 Hz ± 1% pour 99,5% du temps (49,5 Hz – 50,5 Hz)50 Hz (- 6% + 4%) pour 100% du temps (47 Hz – 52 Hz)
( )( )
=
=→=
∫
einstantané fréquence : )(
2
1f(t)
einstantané phase : ).(2t )(cos)( 0
0
dt
td
duuftXtX
t
θπ
πθθ
0
0000
)( : fréquenceen erreur )()(
f
ftftftf f
−→∆+=
32
Variations de fréquences
• Causes– Qualité de la production (surtout pour les réseaux isolés)– Déséquilibre production / consommation d’énergie
• Effets– Désynchronisation d’horloges– Variations de la vitesse de rotation des moteurs (industrie)– Effondrement complet du réseau par délestage, déclenchement des
protections
( )(p.u.) consommée puissance :P
(p.u.) produite puissance :P
(s) inertied' constante :
:f
2
)(
c
g
0
00H
lefondamentafréquence
PPH
f
dt
tdfcg −=
33
Variations d’amplitudes
• Définition : variations de l’amplitude du fondamental• Modèle mathématique :
• Norme EN 50160Veff(t) moyennée sur 10 mn = 230 V ± 10% pour 95% du temps
( )
0
0000
0000
)( : normaliséeErreur )()(
)( : einstantané Amplitude 2cos)()(
X
XtXtXtX
tXtftXtX
X
−→∆+=
→+= φπ
34
Variations d’amplitudes
• Causes– Variations de puissances des charges connectées
• Moteurs à régime variable, fours à arcs
– Mise sous et hors tension de charges• Délestage automatique de charges, charges nomades (véhicules électriques)
• Effets– Variations basses fréquences (< 0,5 %) : accélération du vieillissement des
équipements
– Fluctuations (0,5 % < fréquence < 20 Hz) : flickers (impressions subjectives de fluctuations de la luminosité)
35
Variations d’amplitudes
Tension
Chute de tension
Creux de tension
Manque de tension
Surélévation de tension
Surtension
Un
0.9 Un
1.1 Un
Sub-transitoires Transitoires Brèves Longues
0 0.1 s 1 s 1 min
Tension
Chute de tension
Creux de tension
Manque de tension
Surélévation de tension
Surtension
Un
0.9 Un
1.1 Un
Sub-transitoires Transitoires Brèves Longues
0 0.1 s 1 s 1 min
36
Variations d’amplitudes
• Classification IEEE des perturbations de tensions
1,1 – 1,2 pu> 1 minSous-tension
0,8 – 0,9 pu> 1 minSurtension
0 pu> 1 minCoupureLongue durée
1,1 – 1,8 pu3s – 1 minSurtension
0,1 – 0,9 pu3s – 1 minCreux
< 0,1 pu3s – 1 minCoupureTemporaire
1,1 – 1,8 pu30 cycles – 3sSurtension
0,1 – 0,9 pu30 cycles – 3sCreux
< 0,1 pu0,5 cycles – 3sCoupureMomentané
1,1 – 1,8 pu0,5 – 30 cyclesSurtension
0,1 – 0,9 pu0,5 – 30 cyclesCreuxInstantané
Amplitude de tensionDurée
37
Déséquilibres
• Définition : dissymétrie en amplitude et/ou en phase du fondamental de l’onde triphasée
Taux de déséquilibre :
• Norme EN 50 160Di moyenné sur 10 mn < 2 % pour 95% du temps
< 3 % pour 100% du temps
.
1
1
111
.
111
1
1
3
1
2
22
2
=
=
h
i
d
c
b
a
c
b
a
h
i
d
X
X
X
aa
aa
X
X
X
X
X
X
aa
aa
X
X
X
Xd
XhDh
Xd
XiDi ==
38
Représentation fréquentielle des perturbations
• Séquence des différents harmoniques et perturbations
Harmonique
1 7 13511
ω
+6-6
+12-12
Composantes symétriques
directe
ω
inverse
-2
39
4. Solutions préventives et curatives
40
Contre les perturbations harmoniques
• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Réduction des courants harmoniques générés
• Inductance de ligne (lissage) mais réduction du courant efficace et chute de tension à ses bornes
• Utilisation de redresseurs dodécaphasés : élimination des harmoniques de rangs 5 et 7 par utilisation de transformateur à deux enroulements secondaires (l’un en triangle, l’autre en étoile). Harmoniques « générés » de rang égal à (12k±1)
• Utilisation de redresseurs à absorption sinusoïdale (PFC)
– Compensation des composantes perturbatrices• Filtrage passif : chemin d’impédance minimale pour l’harmonique à
éliminer (filtre résonant). Soin à apporter dans la conception pour éviter de créer des résonances avec les éléments de ligne!
• Filtrage actif : génération locale des composantes perturbatrices que nécessite la charge (cf partie 5)
• Filtrage hybride : calage du filtre passif sur les premiers et deuxièmes harmoniques de rang faible et utilisation d’un filtre actif pour les autres harmoniques
41
• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Filtre passif
• Simplicité de la structure• Élimination d’un ou plusieurs rangs harmoniques (en général 5, 7)• Compensation d’énergie réactive assurée ou possible• Dimensionnement simple mais à optimiser (5 à 10% de coût du
convertisseur, 60% du coût du filtre pour la capacité)• Risque d’amplification des harmoniques si modification du réseau, pas
d’adaptabilité• Possibilité de résonance avec les admittances du réseau (surtout avec filtre
résonant)• Modification des valeurs des éléments en fonction du temps et de la
température
– Filtre actif• Filtrage sur une large bande-passante (élimination des harmoniques des
rangs 2 à 25)• Auto-adaptatif• Structure plus complexe (onduleur), pouvant être chère, sensible à
l’électronique de puissance
Contre les perturbations harmoniques
42
Éléments de dimensionnement d’un filtre passif
•Plusieurs structures peuvent être envisagées – Filtre RLC résonant
• Filtre calé sur les harmoniques 5 et 7• En général, facteur de qualité élevé (>75)
– Filtre RLC amorti• Filtre calé sur les harmoniques de rang >11• Moins sensibles à la température, les
variations de fréquence, la tolérance des éléments
• Plus faible impédance pour une large plage de fréquences
h
h
h
hhr
C
L
rQ
CLf
1
.2
1
=
=πPour le filtre résonant :
43
• Onduleur de tension– Vu du réseau : source de tension variable– Capacité d’échange de puissance active : dépend de la source
(génération ou stockage) sur le bus DC de l’onduleur– Capacité d’échange de réactif (puissance non active) : dépend de
la puissance du convertisseur et la fréquence de commutation des interrupteurs
– Couplage direct au réseau avec connexion série tout à fait possible
– Couplage direct au réseau avec connexion parallèle impossible sauf avec filtre de couplage (L ou LCL)
– Action sur le fondamental ET les harmoniques (y compris déséquilibres)
Éléments de dimensionnement d’un filtre passif
44
Éléments de dimensionnement d’un filtre actif
•Plusieurs structures peuvent être envisagées – Filtre parallèle (filtrage des courants)– Filtre série (filtrage des tensions)– Filtrage hybride (UPQC : Unified Power Quality Converter)
– Choix de la structure : monophasé/triphasé, onduleur de tension/commutateur de courant, accès au neutre ou pas
45
•Structure de base d’un filtre actif parallèle
Éléments de dimensionnement d’un filtre actif
46
• Hiérarchisation des boucles de commande– Boucle de commande externe : identification de la perturbation
• Calcul des courants (puissances)/tensions à injecter au réseau•• EntréeEntrée : consignes de l’utilisateur (tension de charge sinusoïdale et
équilibrée d’amplitude donnée, courant sinusoïdal et équilibré, régulation de la tension au nœud de raccordement, … etc)
• Doit comporter le moins d’erreur possible, sinon compensation difficile par la boucle interne
– Boucle interne de courant/tension• Calcul de la tension à générer par l’onduleur pour avoir les
courants (puissances)/tensions souhaités
– Boucle de commande rapprochée• Calcul des instants d’amorçage et de blocage des interrupteurs à
partir des ondes de références (images des courants/tensions souhaités)
Éléments de dimensionnement d’un filtre actif
47
• Boucle de commande externe : identification de la perturbation– Méthodes d’identification
• Identification dans le domaine fréquentiel (FFT, TFD, …)☺ Pour systèmes évoluant lentement, composantes sélectives� Régime transitoire, volume des calculs numériques
• Identification dans le domaine temporel ☺ Plus rapide, moins d’opérations, filtrage fondamental et harmoniques
– Grandeurs identifiées• Puissances instantanées (p, q) calculées dans le référentiel de Concordia
– Composantes continues : fondamental– Composantes alternatives : harmoniques
• Courants instantanés (id, iq) calculés dans le référentiel de Park– Composantes continues : fondamental– Composantes alternatives : harmoniques
« Méthode synchrone »
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
48
• Détection de la phase des tensions du réseau : utilisation d’une PLL (Phase Locked Loop)– On cherche la phase de la tension réseau instantanée– Méthode la plus couramment utilisée : suivi de la composante directe et
annulation de la composante en quadrature :
– Si θest = θ, la composante en quadrature Vq = 0
abc
αβ
αβ
dq Correcteur ∫
Vabc Vαβ
Vd
Vq ωest
θest
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
DETECTION DE LA PHASE FILTRE PASSE-BAS OSCILLATEUR
49
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6200
100
0
100
200
300
400
Ed idéalEq idéalEd (erreur de 5%)Eq (erreur de 5%)
Theta (rad)
Ed
, E
q
• Phase estimée et composantes de Park
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
50
( ) δδ .sin. avec
système)du (erreur 0
EEV
V
q
q
−≈−=
≈-E PI ∫
θest
θ
2
22
2
142
ninp
BOn
KK
BP
ωζω
ζζω
==
++=Performances liées au choix de BPBO et ζ :
BP élevée : θest contient tous les harmoniques
BP réduite : θest ne contient que le fondamental
• Modélisation en régime petits signaux de la PLL
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
Suite à une perturbation (distorsion, déséquilibre):� la vitesse et l’amplitude du phaseur évoluent dans le temps� V et θ changent également:
- la valeur moyenne correspond à la composante directe ou au fondamental- les oscillations correspondent aux composantes inverses et homopolaires
ou aux harmoniques
51
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
• Boucle de commande externe : identification de la perturbation sur le courant de charge
– Extraction d’un harmonique de rang n (n≠1)
– Extraction de l’ensemble des harmoniques
Transforméede Park
Transforméede Park inverse
Icha,b,c Ichna,b,c
Filtres passe-basVa PLLn.θ
Transforméede Park
Transforméede Park inverse
Icha,b,c Icha,b,c
Filtres passe-basVa PLLθ
Ichd
Ichq
Ichd
Ichq
52
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
• Boucle de commande interne : contrôle de la tension du bus continu (tension moyenne aux bornes de Cdc)– Fluctuations liées aux pertes dans l’onduleur (filtre et interrupteurs)
� Adjonction d’un courant actif pour compenser ces pertes
Icref : courant permettant de réguler la tension du bus continu (stockage)
RégulateurVdcref
Vdc
Icref
RégulateurVdc²ref
Vdc²
Icref
53
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
• Boucle de commande interne : contrôle des puissances ou courants : génération des références
−
−=
−
q
dcref
fa
fa
fa
I
IIP
I
I
I
~
~1
*3
*2
*1
−=
−
q
fa
fa
fa
IP
I
I
I01
*3
*2
*1
Compensation des harmoniques Compensation de la puissance réactive
Compensation des harmoniques et de la puissance réactive
−−
−=
−
dcref
fa
fa
fa
II
IIP
I
I
I
~
~1
*3
*2
*1
54
Boucles de contrôle d’un filtre actif parallèle
• Modulation (MLI)– Intersective (à porteuse (dents de scie ou porteuse aléatoire),
synchrone ou asynchrone, avec/sans injection d’harmonique 3
– Vectorielle
• Commande par HystérésisBande supérieure
Bande inférieure
Largeur de bande
référence
+= uu −= uu
55
Exemple : dimensionnement d’un filtre actif
•Choix de l’élément de stockage du bus continu– CDC, VDC impactent sur la dynamique et la qualité de compensation
– Choix des éléments de filtrage (Lf, Cf) compromis à trouver entre les harmoniques haute fréquence et la dynamique des courants
– Mode de précharge de la capacité du bus continu
– Bande-passante des correcteurs de courant : plage de fréquences des harmoniques à éliminer
( )
DCDCDC
hhfDC
VV
SC
IhLEV
∆=
∑+>∞
=
..6
...22
min
2
2
ω
ω
∑
−=
∆=
∞
=0
max
maxmin
.22
.22
.8
.
hh
DCf
DCf
Ih
EVL
I
VTL
ω
T : fréquence de commutation
E : tension simple efficace du réseau
S : puissance apparente du filtre
ΔVdc, ΔImax : ondulations de VDCet Ires
56
• Stratégies de prévention des perturbations harmoniques– Modification de l’installation
• Augmentation de la puissance de court-circuit de l’installation• Déclassement des équipements• Confinement des charges polluantes : localisation à proximité de
leur source d’alimentation et départ dédié.
Contre les perturbations harmoniques
57
Contre les perturbations déséquilibrées
• Stratégies de prévention des perturbations– Réduction de la quantité et durée des défauts
• Remplacement des lignes aériennes par câbles souterrains• Utilisation de conducteurs isolés pour les lignes aériennes• Augmentation du niveau d’isolation des câbles pour éviter les courts-
circuits• Réduction du temps d’élimination du défaut tout en évitant une
dégradation de la sélectivité du système de protection
• Équilibrer les charges monophasées sur les trois phases• Diminuer l’impédance du réseau amont en augmentant la puissance
de court-circuit des transformateurs et la section des câbles• Utiliser des charges L,C judicieusement raccordées (exemple : montage
de Steinmetz)
58
Contre les perturbations liées aux phénomènes transitoires
• Solutions curatives– Bancs capacitifs modulables– Alimentations Sans Interruptions (ASI ou UPS)– Onduleur de tension (D-FACTS)
59
5. Les onduleurs de tension pour la qualité de l’énergie
60
Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• Principes de compensation des perturbations du réseau– Superposition d’une autre source pour absorber ou compenser la
perturbation– Raccordement série (tension) ou parallèle (courant) ou hybride
• Intérêts de l’EP pour la qualité de l’énergie– Actions sur la charge
• Modification des caractéristiques et compensation des perturbations
– Minimisation des effets des perturbations• Remplacement (ASI) et compensation des perturbations
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• Hiérarchisation des boucles de commande– Boucle de commande externe (détection)
• Calcul des tensions à injecter au réseau•• EntréeEntrée : consignes de l’utilisateur (tension de charge sinusoïdale et
équilibrée d’amplitude donnée, régulation de la tension au nœud de raccordement, … etc)
– Boucle interne de tension• Calcul de la tension à générer par l’onduleur pour avoir les tensions
souhaités
– Boucle de commande rapprochée• Calcul des instants d’amorçage et de blocage des interrupteurs à
partir des ondes de références (images des courants/tensions souhaités)
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation
– Application en temps réel• Mesures réalisées sur une fenêtre glissante à chaque période de
commande : réaction plus rapide en régime transitoire
• Mesures réalisées sur la période du signal à traiter (temps différé)
• Choix effectué sur des critères liés à l’application visée et lapuissance de calcul disponible. En régime permanent, les deux types de mesures sont équivalents.
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation
– Principe : extraction de l’information d’un signal (séparation de la partie souhaitée du signal global)
– Problème #1 : la référence peut varier en fonction de l’état du réseau, des charges connectées, …
– Problème #2 : rapidité de réponse indispensable, notamment pour les perturbations non périodiques (e.g. creux de tension)
mesurerefonperturbati xxx −=
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension– Déséquilibres– Distorsion de l’onde– Écart de l’amplitude de la séquence directe par rapport à la
valeur nominale� Identification de la phase et l’amplitude de la séquence directe
au fondamental
� Rôle de la PLL pour déterminer la phase et l’amplitude du phaseur équivalent au système triphasé en tension
abc
αβ
αβ
dq Correcteur ∫
eabc eαβ
ed
eq ωest
θest
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension+− = EE .3,0
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension
{nulle
0
prise
EEEE ++= −+
α
β
E+
E-
θ-
θ+
: Phaseur équivalent instantané de la tension
E : module du phaseur
θ : phase du phaseur
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension
α
β
E+
E-θ-
θ+
E
θ
δ
{nulle
0
prise
EEEE ++= −+: Phaseur équivalent instantané de la tension
E : module du phaseur
θ : phase du phaseur
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension
α
β
E+
E-θ-
θ+
E
θ
δ
La bande passante de la PLL joue sur l’estimation de θ :
- si elle est élevée : θest = θ contenant toutes les perturbations
- si elle est réduite : θest = θ+ et on filtre toutes les perturbations sur la phase
� information contenue uniquement dans le module instantané du phaseurde tension (E) mais lenteur de la synchronisation
( )
( )( )+−−+
+−−
+
+−−+−+
−+−=
+=−++=
θθθθδ
δθθθθ
cos.
sin.tan
cos...222
EE
E
EEEEE
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension• Linéarisation de la PLL et choix des paramètres (réglage de la bande
passante)
( ) δδ .sin. avec
système)du (erreur 0
EEe
e
q
q
−≈−=
≈
α
E+
eq
θ+= θest
E
θ
dq
-E PI ∫
θest
θ
2
22
2
142
ninp
BOn
KK
BP
ωζω
ζζω
==
++=
Performances liées au choix de BPBO et ζ
δ
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension• Exemple : cas d’un déséquilibre en tension
– Perturbation à plus basse fréquence : composante inverse (-2 ω0)– Premier harmonique perturbant de rang 5 (-6 ω0)
� on fixe la bande-passante du correcteur PI de la PLL environ une décade avant la pulsation de la perturbation
510
.2 00 ωω==BOBP
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension
• Information sur l’amplitude : toute l’information est contenue dans la composante d’axe d de la tension en sortie de la PLL (ed)
• Filtrage pour obtenir la composante directe et éliminer l’influence des perturbations– Nécessité d’une dynamique élevée– Capacité de réjection des perturbations
� Méthodes de la poursuite de phase et des composantes symétriquesinstantanées (méthode d’identification simple et très performante)
[I. Etxeberria-Otadui &al, Evaluation of different strategies of Series Voltage SagCompensation, PESC’02]
Compromis à trouver
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 1ère étape : identification de la perturbation en tension
Extrait : Thèse I. Etxeberria (2003)
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension– Injection des composantes perturbantes en opposition de phase– Harmoniques et déséquilibres pris en compte dans les composantes
inverses et homopolaires
– Perturbations sur la valeur efficace compensées via la composante directe
– Objectif : trouver le module et l’angle de la tension à injecter
– Paramètre fondamental : sensibilité de la charge par rapport aux sauts de phase
VchE+Vs
Ich
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension• Cas d’une charge sensible aux sauts de phase : compensation par
injection de la tension complémentaire
Ich
E1+
ψ
σφ
βE0+=Vch
Vs : tension à injecter
On injecte une tension complémentaire pour protéger la charge des fluctuations de phase et d’amplitude de la tension
++ −= 10 EEVs
E0+ : séquence directe avant défautE1+ : séquence directe après défaut
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Les onduleurs pour la qualité de l’énergie
• 2ème étape : compensation de la perturbation en tension• Cas d’une charge sensible aux sauts de phase
Ψ : déphasage du compensateur d’électronique de puissance
Puissance active à fournir par le compensateur
• Cas d’une charge peu ou non sensible aux sauts de phase� Optimisation du dimensionnement du compensateur et du stockage par
choix de la distribution d’énergie entre le réseau et le compensateur (choix de Ψ)
( ) ( )
+−+= +−
Vch
VsE βφβψ cos.coscoscos 11
( )ψcos...3 IchVsPond=
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Bibliographie / Pour aller plus loin
Thèse I. Etxeberria (2003). Grenoble-INP
Article sur la théorie généralisée des puissances électriques:H. Akagi, Y. Kanazawa, “Generalized theory of the instantaneous
reactive power in three-phase circuits”, IPEC, 1983, p.1375-1386
Articles sur le réglage des correcteurs pour le filtre actif:L. Asiminoaei &al, “Evaluation of harmonic detection methods”,
APEC, vol. 1, 2005, p.635-641V. Kaura &al, “Operation of a PLL system under distorted utility
conditions”, IEEE T. on Industrial Applications, vol. 33, 1997