Filtrage actif des harmoniques en courant et en tension ...

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Submitted on 1 Jan 1997

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Filtrage actif des harmoniques en courant et en tensiondes reseaux électriques : modélisation, simulation

numérique et expérimentationC. Lott, O. Lapierre, H. Pouliquen, S. Saadate

To cite this version:C. Lott, O. Lapierre, H. Pouliquen, S. Saadate. Filtrage actif des harmoniques en courant et en tensiondes reseaux électriques : modélisation, simulation numérique et expérimentation. Journal de PhysiqueIII, EDP Sciences, 1997, 7 (12), pp.2433-2457. �10.1051/jp3:1997269�. �jpa-00249731�

https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00249731

https://hal.archives-ouvertes.fr

J. Phys III France 7 (1997) 2433-2457 DECEMBER1997, PAGE 2433

Filtrage actif des harmoniquesen courant et en tension des

r4seaux 41ectriques:

mod41isation, simulation num4rique etexpdrimentation

C. Lott (~), O. Lapierre (~), H. Pouliquen (~) et S. Saadate (~,*)

(~) CEGELEC-DEI, 3 avenue des Trois ChAnes, 90018 Belfort, France

(~) EDF-DER, avenue du G6n4raI de Gaulle, 92141 Clamart, France

(~) GREEN-UHP, Universit4 Henri Poincar4 Nancy 1, B-P. 239,

54506 Vandoeuvre lAs Nancy, Ftauce

(Regu le 29 janvier 1997, rdvisd le 10 jwllet 1997, acceptd le 28 aofit 1997)

PACS.84 30.Jc Power electronics; power supply circuits

PACS.84 30.Vn Filters

PACS.8470.+p High currents and high voltage technology: power systems, power

transmission lines and cables (including superconducting cables)

R4sum6. Les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusdidaux et consom-

ment g6nAralement de la puissance r4active. Ces deux ph4nomAnes nouveaux sur le r4seau out

engendr4 un certain nombre de perturbations allant du dysfonctionnement d'un 4quipementjusqu'h la destruction d'une partie des 4quipements connect4s Dans cet article, Ies problAmeslids aux perturbations g4n6r4es par Ies convertisseurs statiques out 4t4 4tud14s et des solutions

visant h Ies 4Iiminer out 4t4 pr4sent4es. Elles portent sur les m6thodes de filtrage passif et actif.

Quelques 414ments de d4finition et de dimensionnement de filtres passifs sort donn4s. Le filtrageactif est ensuite trait4 Les deux structures, courant et tension, sort 4tud16es et la structure

tension a 4t4 retenue pour la suite de I'article. DiffArents principes de contr6Ie du filtre actif h

structure tension out AtA prAsentAs. La mdthode d'identification des harmoniques par le principedu calcul des puissances active et rdactive instantandes dome des rAsultats satisfaisants. Des

simulations uumAriques out AtA rAalisAes Eufiuuue maquette expArimeutale de 100 kVA a AtA

rAalisAe et testAe sur uu site industriel. Les essais de la maquette out montrA de bounes perfor-

mances du filtre actif h thyristor GTO. Le filtrage en tension d'un jeu de barres perturbd par

un convertisseur de 5 MVA connectd sur un rdseau amont a dgalement dtA rdalisd et 6tudid darts

cet article.

Abstract. Static converters generate harmonic currents and consume reactive power. These

new phenomena on the mains generate some perturbations going from malfunction to destruction

of the connected sensible equipments In this paper disturbances generated by static converters

are studied. Some solutions based on passive and active filtering are presented. Some passive fil-

ter design elements are given. Active filter is then studied. Both structures, current and voltage,

are studied and voltage source structure is chosen. Different active filter control principles are

presented. The active and reactive instantaneous power theory give good results for harmonic

identification Some numerical simulation are realized A 100 kVA prototype is realized and

tested on an industrial site. The GTO prototype shows good results for harmonic filtering. The

voltage active filtering is also presented. The active filter eliminates voltage harmonics on 400 V

busbar generated by a MVA SCR bridge connected in 15 kV busbar

(*) Auteur auquel doit Atre adressAe la correspondance (e-mail:

ssaadatefiensem.u-nancy.fr)

@ Les iditions de Physique 1997

2434 JOURNAL DE PHYSIQUE III N°12

+ I.

-I.

7~e.@u;div vertical [email protected] hertz.

Fig. 1. Allure du courant au secondaire d'un transformateur destind h alimenter un convertisseur

de puissance.

[Secondary current of a transformer when loaded by a high power converter.]

Introduction gdndrale

L'utilisation d'dlectronique de puissance a contribu4 ces derniAres annAes, h l'amAlioration des

performances des procAdAs ainsi qu'h une diminution du cofit de 'fonctionnement des Aquipe-

ments.

La figure 1 reprdsente l'allure du courant mesurA dans un transformateur destinA h alimenter

un convertisseur statique. Les convertisseurs statiques absorbent des courants non sinusoidaux

et consomment g6n6ralement de la puissance rAactive [1]. Le rAseau quant h lui est parfaite-

ment adapts h des courants sinusoidaux et prAire ne pas (changer 'd'6nergie rAactive. Ces deux

phdnombnes nouveaux sur le rdseau ont engendrd un certain nombre de perturbations allant

du dysfonctionnement d'un 6quipement jusqu'h la destruction d'une partie des dquipementsconnectds [2, 3]. La progression constante en unitd et en puissance des 4quipements d'dlec-

tronique de puissance connectds (31 % de l'dnergie consomm4e par les industriels)a rendu

ndcessaire des actions afin de rdduire les perturbations.

Dans cet article, nous ddcrivons les perturbations induites darts les rdseaux de distribution

par les convertisseurs statiques. Diffdrents types de convertisseurs g4n4rant de mains en mains

de perturbations sent #tud14s. Le filtrage passif, solution adopt4e jusqu'h pr4sent pour d4polluer

le r4seau est aussi analys4. Le filtre actif, objet principal de cette publication, est dtudid d'une

part sous l'aspect puissance par l'dtude des deux structures 41ectrotecl~niques dites courant et

tension.

Le circuit de puissance est analysd et une rdflexion sur le dimensionnement est donnde. Aprbs

une comparaison des deux structures un cl~oix est fait. D'autre part, l'aspect commando du

filtre est dtudid. Tout d'abord par la mdtl~ode d'acquisition des l~armoniques et puis par l'dtude

de deux types de contr01e du filtre actif afin de compenser des harmoniques. La r4gulation de

la tension de boucle est dgalement dtudide Le contr01e d'un filtre actif h structure tension dent

le courant ddlivr4 au r4seau ne prdsente pas de composante h la friquence de commutation est

dgalement envisagd.

Le dernier paragraphe pr4sente une maquette tripl~as#e de 100 kVA h tl~yristors GTD. Les

rdsultats expdrimentaux obtenus sent prdsentds et discut4s. Des eslaisavec une acquisition des

harmoniques au travers du SystAme d'Acquisition des Harmoniques~sont mends. Une extrapola-

tion du filtrage courant au filtrage tension est faite. Les r4sultats d'essais sur un site industriel

sent donn4s et discut4s.

N°12 FILTRAGE ACTIF DES HARMONIQUES DE RESEAU ELECTRIQUE 2435

ii j~j

~

~~~ ~~~~

Fig. 2. Schdma d'un convertisseur de frdquence pour machine asynchrone.

[Scheme of a frequency changer for asynchronous machine.]

1. Perturbations et solutions classiques

Les harmoniques rencontr4s sur les r4seaux industriels ont un grand nombre d'effets, di1f4rents

selon qu'ils sent en courant ou en tension mais dans tous les cas n4gatifs au fonctionnement

harmonieux du rdseau. La liste suivante des consdquences de la pr4sence des harmoniques sur

le r4seau est nonexhaustive 4chauffement des transformateurs, perturbation des systAmes de

commande par courants porteurs, perturbation du fonctionnement de certains convertisseurs,surcharge des moteurs alternatifs, destruction de batterie de condensateurs, antir4sonance me-

nant h des surtensions et interf4rence avec les r4seaux de t414communication.

La consommation d'4nergie r4active entraine des surcharges des 4quipements de transport

et de conversion d'4nergie ainsi qu'une augmentation des chutes de tension en ligne. Depuis1987, EDF facture la consommation d'4nergie r4active si tg(~g) est sup4rieur h 0,4

1-1- D#SENSIBILISATION DES #QUIPEMENTS AUX PERTURBATIONS PR#EXISTANTES. La

r4alisation d'4quipements capables de fonctionner sur un r4seau perturb4 permet d'ignorer

un certain nombre de cons4quences lides aux harmoniques telles que les dysfonctionnements.Toutefois, cette solution ne permet cependant pas de r4duire les 4chaulfements et les surdi-

mensionnements lids aux harmoniques

1.2. DIMINUTION DES HARMONIQUES G#N(R#S PAR LE PONT R#SEAU. Les caractdristiques

techniques du pont r4seau d'un 4quipement imposent les harmoniques cr44s sur le r4seau. La

prise en compte de ces consid4rations dans la conception d'un convertisseur permet de limiter

la distorsion renvoy4e au r4seau en choisissant le pont r4seau ad4quat. L'augmentation du

nombre des interrupteurs permet souvent une r4duction acceptable des harmoniques g4n4r4s.L'utilisation des interrupteurs h commutation forcAe, thyristors GTO, transistors ou tran-

sistors IGBT a perrnis la conception de montages absorbant au r4seau des courants quasi

sinusoidaux. Le pant redresseur est command4 par Modulation de Largeur d'Impulsion (MLI)et permet outre de minimiser les harmoniques gdndrds, de rAgler les (changes de puissances

active et r4active avec le rdseau [4, 5].La figure 2 ddcrit le sch4ma d'un variateur de vitesse pour machine asynchrone minimisant

les harmoniques renvoy4s sur le r4seau. Les interrupteurs peuvent Atre des thyristors GTO ou

des IGBT en fonction de la puissance de l'dquipement.L'emploi d'une Modulation par Largeur d'Impulsions (MLI) permet la minimisation des bar-

moniques renvoyAs au rdseau. Une MLI optimisde utilise le fait qu'un ddcoupage d'une onde

p6riodique par k impulsions par quart de pdriode permet la suppression de k -1 harmoniques.Les rdsultats expdrimentaux relevds SW des dquipements CEGELEC montrent lus bonnes per-

formances de ce type d'onduleurs. La figure 3 montre des relevAs effectuds sur un convertisseur

de frAquence h IGBT pour machine asyncl~rone dont la frdquence de commutation est d'environ

4 kHz.

Ces di1f4rents montages sont plus on4reux qu'un montage classique car its n4cessitent plusd'dquipements

: plusieurs transformateurs pour les systbmes multipl~asds, de l'dlectronique


y

2,sins/div,,,,,,,,,,,,,,,,,,

l'

)res 50AJdiv 2,sms/div

Fig 3. Tension et courant d'un variateur de vitesse pour moteur asynchrone h IGBT.

[Voltage and current of a variable-speed drive

complexe pour la commande des ponts h interrupteurs h commutation forcde.

Darts l'absolu, cette remarque n'est plus vraie car la "propretd" de la charge permet des

dconomies en 4vitant le filtrage du r4seau. Car outre la minimisation des l~armoniques, ce

type de convertisseur permet un fonctionnement h puissance r4active variable et notamment h

cos(~g) =1.

1.3. FILTRAGE PASSIF. Une solution utilis#e jusqu'h prdsent [est le filtre passif. Le filtre

passif foumit de l'4nergie r#active et piAge les l~armoniques. Cependant son utilisation n'est passimple et ses performances d4pendent des caract4ristiques du r4seiu

sur lequel il est connect4.

De plus, il peut occasionner une r4sonance parallAle importante quij excit4e par un l~armoniquepr4sent sur le r4seau, conduit h des surtensions importantes pouvant aller jusqu'h la destruction

d'4quipements.

1.3.I. Compensation d'harmoniques. Un filtre passifa pour ob'jet, dans le cas des l~armo-

niques, de diminuer l'imp4dance du r4seau h une fr4quence donn4e'. Les courants l~armoniquesh cette frAquence sent alors dArivAs dans le filtre et crdent peu de distorsion sur le rdseau.

La connexion d'un condensateur sur le rdseau prAsente des inc/nv6nients tels que l'antirA-

sonance ou r4sonance parallAle qui reprdsente une augmentation je l'impddance du r4seau h

certaines fr4quences. C'est pourquoi la compensation de r4actif esi effectu4e h l'aide de filtres

accord4s. L'accord du filtre permet un d4couplage, par rapport au r4seau, plus important quedans le cas d'un condensateur directement connect4 au r4seau.

Un filtre est gdndralement constitud d'une rdsistance, d'une inductance et d'un condensateur.

L'inductance absorbe de l'4nergie r4active tandis que le condensaieuren cr4e. Un cl~oix judi-

cieux du condensateur permet un renvoi d'dnergie r4active sur le r4seau de maniAre h compenser

celle absorbde par d'autres dquipements.

Deux types de filtres passifs sent gAnAralement utilisAs, le filtre rAsonnant et le filtre amorti

(Fig. 4).


RRparallkle

~c

~~ ~

Fig. 4. Schdma de principe d'un filtre rdsonnantou amorti.

[Scheme of resonant and damped passive filter.]

Le rang d'accord ha correspond au multiple, entier ou non, de la frdquence nominale du

r6seau pour lequel l'imp6dance du filtre L C est minimale.

1~~

will

La figure 5 montre l'influence de la connexion d'un filtre sur l'imp6dance du rAseau. Deux

pulsations peuvent Atre remarqudes sur ces courbes :

.rAsonance du filtre Ma =

27r fa=

jZ(wa) [= 0

LC

.antirAsonance du filtre war =

27r far=

Z(war) [-oo.fi

Ces frAquences dApendent des valeurs des composants du filtre mais aussi du r4seau (pourl'antirAsonance). Il est h noter que le filtrage est plus efficace h la fr6quence d'accord avec un

filtre rAsonnant en contrepartie d'une antirAsonance importante. Le filtre amorti oflre un filtrageplus rAparti mais moins efficace h la fr4quence d'accord. L'antir4sonance est moins importante

que darts le cm d'un filtre r4sonnant. Ce dernier est donc moms sujet aux variations de fr4quenceet d'imp4dance du r4seau.

1.3 2 Compensation de l'6nergie rAactive. La puissance rAactive rAsulte du d4pl~asage entre

le fondamental de la tension et du courant rAseau. La puissance rAactive du filtre renvoyAe au

rAseau se calcule comme suit :~~~~~

~

1(£) ~

a

La mise en place d'un filtre crAe une remontAe de la tension r4seau, non n4gligeable, darts

certains cas. Cette variation de tension se calcule en utilisant la formule :

I~U ~lr4seaufi

U Scc

avec

. Qrdseau Puissance rAactive renvoy4e au r4seau (puissance r4active fournie par le filtre

moins la puissance r4active absorb4e par les autres 4quipements)

.Sac puissance de court circuit du r4seau.


l~W>(

bnp£dance du r£Sean avec &m rlsonnart

Hp6dacce du rlseau sod

a)War wa

"

bp£dancedur£Seaused

Impldacce du r£Seau awe ATe wnosa

b)ww wa w

Fig. 5 Impddance du rdseau avec (a) et sans filtre (b) connectA.

[Mains impedance with (a) and without (b) passive filter.]

Une remontAe de tension de plus de cinq pour-cent est h 4viter pour le bon fonctionnement des

4quipements. Cette variation de tension ne pose guAre de problAine sur un r4seau en charge,la puissance r4active renvoy4e par le filtre compense celle absorb4e par d'autres 4quipements.Cependant, darts le cas d'un r4seau h vide, la puissance rdactive crdde par le filtre se retrouve

entiArement sur le r4seau ce qui peut mener h une surtension importante.Le filtre passif est performant, et de coilt peu 41ev4. Il est cependant limit4 par une non

adaptabilit4 au r4seau et aux charges pour les raisers suivantes

.L'installation d'un filtre sur le rAseau fait appar£tre une antir4sonance dent la fr4quence

est variable avec l'impAdance du rAseau.

.La fr4quence d'accord du filtre est fixe ce qui entraine une d4gradation du filtrage tars

d'une variation de frdquence du r6seau.

.Lors d'une surcharge en courant harmonique, le dAclencl~ement du filtre est inAvitable.

La compensation est dans ce cas rAduite h z6ro. L'installation prAcAdemment filtr6e se

retrouve instantandment perturbde de manibre considdrable. L'arrAt plus ou mains propre

des 4quipements est dans ce cas indvitable avec tous les risques que cela suppose des-

truction de production...


Rdse%u Chargepollumte

~lithe Acfif

Fig. 6. Sch6ma de principe d'un filtre actif.

[Active filter principle.]

Filtre d'mfliUc onduleulCucuit de

stock~ige d'euer~Je

C'mm~~anJe

Fig. 7. Structure gdndrale d'un filtre actif.

[General structure of an active filter.]

Ces incidents ne sont l~eureusement pas courants. Le dimensionnement et la rdalisation d'un

filtre sont affaires de spdcialistes. La socidtd CEGELEC s'est distingude dans la rdalisation de

tels dquipements [12].

Des recl~ercl~es ant AtA menAes avec pour objectif l'dlimination des problbmes intrinsbques

des filtres passifs. Le filtre actif a dtd ddveloppd avec le souci d'Aviter les problAmes dus h la

variation de la frdquence rdseau, les antirdsonances, et les ddclencl~ements dus aux surcharges

du filtre

Le filtre actif fait l'objet de la suite de cette dtude

2. Le filtrage actif

2 1. PRINCIPE Du FILTRE ACTIF PARALLkLE. Le principe du filtre actif parallAle consiste

h gAnArer des l~armoniques en opposition de phase h ceux existant sur le rdseau. Ceci peut Atre

scl~AmatisA sur la figure 6.

Alors que le courant absorbd par la charge polluante est non sinusoidal, le courant crAA par

le filtre actif est tel que le courant absorbd au rdseau est sinusoidal [11,12].

2.2. STRUCTURE G#NtRALE D'UN FILTRE ACTIF. Un filtre actif est composA de quatre

parties comme le montre la figure 7. La partie puissance est constituAe d'un circuit de stockage

d'dnergie, d'un onduleur destin6 h rdpartir le courant darts les diffdrentes phases et un filtre

d'entrde destind h rdaliser l'interface entre le rdseau et l'onduleur. La partie contr01e tient

compte du circuit de stockage d'Anergie, du filtre d'entr#e et des harmoniques sur le rAseau et

permet d'actionner le circuit onduleur.


id

Fig. 8 Schdma dlectrotechnique de l'onduleur courant.

[General scheme of current sourceinverter.]

Tableau I Courants des dijfdrentes phases d'un onduleur courant.

[Different phase currents of current sourceinverter.]

Numdro Interr.

de fermAs Iondi Iond2 Iond3 I~ Ip

l'Atat (Haut / Bas)

1,2 Id -Id 0

2 1,3 Id 0 -Idj

Id

3 2,3 0 Id -Id 0

4 2,1 -Id Id 0 Id

5 3,1 -Id 0 Id -Id2

6 3,2 0 -Id Id 10

7 1,1 0 0 0 0 0

8 2,2 0 0 0 0 0

9 3,3 0 0 0 0 0

2.2.I. Onduleur. Deux types de structures sent envisageables, celle dite courant ou celle dite

tension.

2.2.1.1 Onduleur de courant. La structure 41ectrotechnique d'un onduleur courant ou com-

mutateur de courant est schAmatisAe h la figure 8 it s'agit de commuter un courant Id dans

les diffArentes phases [12].

Le courant continu est commutA dans les diffArentes phases, par une combinaison des dif-

fArents interrupteurs. Il est donc possible de complAter le tableau I. Ces courants tripl~asAs

peuvent Atre placAs dans le repAre a, fl par transformation de Concordia. C'est par une com-

binaison de ces (tats qu'un courant de rAfArence peut Atre atteint.i

Les vecteurs courants pouvant Atre gAnArAs par un onduleur tracAs sur la figure 9.

Cependant, le rAseau 6tant inductif il n'est pas possible de directement l'onduleur. Un

filtre d'entr6e doit Atre insArA entre le rAseau et l'onduleur h la figure 10.

ii est ndcessaire de faire trbs attention au contr01e du filtre car il peut cr6er des

oscillations comme le montre la figure 11. Sur celle-ci les mbnent h un rdgime

divergeant.


fl

4 2

a

5

Fig. 9 Vecteurs courants pouvant Atre gdndrds par un onduleur courant dans le repbre o, fl.

[Current vectors in a fl coordinates generated bya current source inverter

~~Id

L

v(t)a

mv mv

Fig 10. Sch4ma Alectrotechnique d'un onduleur courant.

[Electrical scheme of a current source inverter.]

(enA)

If Itdf~

,'i

>,

Temps(en s)

o o,oi o,oi o,03

Fig. 11. Oscillations du courant autour de la rAfArence.

[Current oscillation around the reference.]


~EV1 V2 V3~

Fig. 12. SchAma de principe d'un onduleur de tension.

[General scheme of voltage source inverter.]

Tableau II. Tensions des dijfdrentes phases d'un onduleur tension.

[Different phase voltages of voltage source inverter.]

Num4ro des des des

del'dtat interr. interr. interr. 2~i12E 2V2/E 2%/E

de la de la de la

phase phase 2 phase 3

1 + 2/3 -1/3 -1/3

2 + + 1/3 1/3 -2/3

3 + 2/3 -1/3

4 + + -2/3 1/3 1/3

5 + -1/3 -1/3 2/3

6 + + 1/3

7 + + + 0 0 0

8 0 0 0

+ Correspond h l'interrupteur du l~aut passant et l'interrupteur du bas bloqud

Correspond h l'interrupteur du bas passant et l'interrupteur du haut bloquA

2.2.1.2 Onduleur de tension.=

L'onduleur de tension est le dual de l'onduleur de courant. Ce

type d'onduleur maintient dans un condensateur de stockage, unetension quasi constante [6, 7].

II commute celle-ci de manibre h imposer des tensions h ses brines alternatives comme indiqud

h la figure12.

De mAme que pour l'onduleur de courant, par les combinaisons des interrupteurs, il est

possible de compldter le tableau II.

Ces tensions tripl~as4es peuvent Atre placdes dans le repAre a, fl par transformation de

Concordia. C'est par une combinaison de ces (tats qu'une tension de rAfArence peut Atre at-

teinte.

Les vecteurs tensions pouvant Atre g6ndrAs par un onduleur tension sent trac6s sur la

figure 13.

Dans le casde l'onduleur de tension, une simple inductance servir de filtre d'entr4e.

La structure retenue pour cette Atude est la structure dent l'utilisation est trAs

courante dans les variateurs de vitesse pour machine asyncl~rone.


@@ 2 ~ ~~

Fig 13. Vecteurs tensions pouvant Atre gdndrAs par un onduleur de tension dans le repAre o, fl.

(Voltage vectors in o fl coordinates generated by a voltage sourceinverter.]

Transformateur d'alimentationdu systeme 4 compenser

11

+

~ ~Courant

poll>iJ>it

l'harge« pollu»rites

Fig. 14. Connexion d'un filtre actifsur un rdseau.

[Active filter connection on the mains.]

2.2.2. Contr01e commande du filtre actif

2 2.2.1 Obtention des rdfdrences. Le cas g6n6ral de ddpollution l~armonique h l'aide d'un

filtre actif consiste en une dApollution d'un dApart donc du courant du secondaire d'un trans-

formateur. Le courant l~armonique de r6fArence du filtre actif peut donc Atre obtenu h partirdu courant transitant dans le transformateur auquel est soustrait le courant de sortie du filtre

actif comme le montre la figure 14. Cette solution prdsente l'intdrAt de mmimiser les capteursdonc le cofit de l'installation.

Le systbme est donc dquivalent h un rdseau comportant une seule charge polluante. Pour le

reste de l'Atude, c'est cette l~ypotl~Ase qui est faite comme l'mdique la figure 15.

Le point de fonctionnement de la charge est inconnu, seul le courant absorbd est mesurA.

Les rAfArences l~armoniques sont obtenues en prenant le courant de la charge et la tension au

point de raccordement du filtre actif au rdseau. La mdtl~ode utilisde est basde sur le calcul des

puissances active et r4active instantan4es.

Ce principe consiste h sdparer le fondamental du reste du signal [8]. Ceci est rdahsd en le


Rr Lr~~

Rc I,c

~

it

vu

l'alcul des Com>na>ide

>ilirences du Filtre Acfif

Fig. 15 Connexion d'un filtre actif en parallble d'une charge.

[Active filter connection in parallel with a load

mettant darts le "domaine continu" alors que les l~armoniques sont dans le "domaine frAquen-ciel". Les tensions et les courants sont plac6s dans le systAme d'axes o, fl par la transformation

de Concordia. 11 1 jIa / ~§

j~ jvi

vi ~2

~

2 2

~3~

et

V~ / ~

v~ j V~ ~i ~

~

2 2

~~3~

Il est ainsi possible de calculer les grandeurs P et Q telles que :

lP v~ vpli~Q ~ -vp v~ ip

Les l~armoniques de mAme frAquence, courant et tension, vont gAnArer une composante continue

alors que les produits de fr4quences diff4rentes vont donner une composante alternative. Si la

tension est initialement sinusoidale, la composante continue des puissances est relative au cou-

rant fondamental. Filtrer cette composante continue revient h necinserver que les composantes

l~armoniques du courant

lr~f~ I V~ VPfi

~r4f fl© ~ © ~~fl ~" °

Les rdfdrences de courant dans le repbre tripl~as6 sont donc

~° l(

~~~ ~ 2 1 Vi Irdfn~~~

~ 3 $~ Irdf.pIrdf

3

2 2


[charge Vr6seau

Filtrage

3 3

~~~aa

~~fl fl

Q"V~ la

F,ltrage de p et q

Ca'cL' de [fret]

2

lh

Fig. 16 Scl~dma d'obtention des r4fdrences l~armoniques pour le filtre actif.

[Harmonic reference calculation principle

V, A

<one

Vr6seau

~

"'~"~~'"...__.

", Icharge'-- -.-,--,-.~

-<boo , "1xinsw

~ P

-E,j~

x;o(VAR~."". >~".. ,"". "".. J""_ ")::

~

".,' "..' '"..' ".,' "." "."Q

-5 , , ,

~~~ ~Iharrra~que

a ~

-sooromps (en ii

0,02

Fig 17. Allures temporelles des principaux intervenants dans le calcul de la r4f4rence harmonique

[Time variation of principal parameters of harmonic identification procedure

Le scl~dma d'obtention des rdfdrences l~armoniques pour le filtre actif est donna h la figure 16.

Les allures temporelles de ces diffdrents termes sont donndes h la figure 17 en prenant les

l~armoniques caract6ristiques d'un pont de grabtz jusqu'au rang 25 et en supposant sinusoidale

la tension au point de raccordement au rdseau.

Il est h noter qu'en prdsence d'une tension non sinusoidale, le courant de rdf4rence est quelque


me~de ~~ref

Correcteur

Vrdseau

Filtrage Calcul de Ia

ia

Fig 18. Schdma d'obtention de la r4f4rence de courant actif destin4 h compenser les pertes du filtre

actif.

[Calculation of losses compensation component in active filter.]

peu ddform6. En fait, ceci s'explique par la prdsence d'l~armoniques de tension de mAme rang

que les l~armoniques de courant faisant disparaitre une partie de ~ces derniers lors du filtragedes puissances P et Q. En filtrant la tension, le r4sultat est donc plus satisfaisant.

2.2.2 2 Compensation des pertes. Les rdf4rences l~armoniques dtant calculdes, le pant qui

va gAndrer ces courants va avoir des pertes faisant d4croitre la teilsion de boucle. Ii est donc

n4cessaire de les compenser. Pour cela, une r4gulation non pas de'la tension mais du carr4 de

celle-ci permet le calcul simple d'un courant correspondant h la puissance active n4cessaire h

compenser les pertes.

Ce r6gulateur peut Atre de type proportionnel, filtre du premier ordre ou ProportionnelIntAgral (P.1.).

Cette rAfAren§e de courant actif obtenue (Fig. 18) est ajoutAe ~ux rAfArences de courants

harmoniques.

2.2.2.3 Commande du pant onduleur. I partir de ces rAfArences, il est nAcessaire de com-

mander le pant de puissance afin de gdndrer effectivement les courants souhaitds. Pour cela

diffdrentes techniques sent utilis6es. La plus frdquemment employde est la m6thode par hys-tArAsis ou "tout ou rien" ou encore par "mode glissant", qui consijte

en une comparaison sur

chaque phase du courant du filtre et de la r6fArence comme le montre la figure 19. Cette mA-

thode trAs facile h implAmenter mAme en analogique est robuste It rapide. Son inconv4nient

est une fr4quence de commutation des interrupteurs d4pendant del beaucoup de paramAtres

courant de la charge, largeur de la bande d'hystdrdsis, tension de la boucle

L'autre m4thode, la modulation de largeur d'implusions (MLI), calcule la tension ndcessaire

aux bornes du pant afin de g4nArer le courant souhaitA comme le montre la figure 20.


Ir6f +

jf fl~

If

Fig. 19. Schdma de principe de la commande par hystdrdsis.

[Hysteresis control principle.]

L'dquation qui rdgit le courant de sortie du filtre actif est la suivante :

(vonduleur)moyen~

(vrdseau)moyen + Rfjifiltre)moyen +f~~~~~~j~~°°~~~

e

~~~~

~°'~~~~~~~~

~~~~~au + Rflfiltre + Lf~~~~~~~

ou encoreTe Tl T>+T2 Te

Vrdfdt#

Vldt + V2dt + V0dt.~i /,+T2

Cependant, ce principe prdsente l'inconvdnient d'introduire un retard. L'dquation entre le cou-

rant et la tension prdsente un terme int6gral De plus, le calcul de la MLI n'est pas imm6diat

comme le montre la figure 21. Il est donc ndcessaire de faire appel h un moyen de prddiction

ou de mdmorisation.

Ce vecteur tension moyen peut Atre reprAsent4 dans l'l~exagone des tensions de l'onduleur

de la figure 22.

Afin de gAnArer une onde de tension de mAme valeur moyenne, ce vecteur peut Atre dAcomposAselon diffdrents (tats d'interrupteurs comme pour l'exemple de la figure 23.

La d4composition vectorielle donne les mAmes proportions que la d4composition temporelle.Le calcul du sc1~4ma de la MLI est donc relativement ais4.

cos(~y)II /j cos(60)

~~~~~~~sin(~t)

~ 3~0

~~ 3~sin(60)

0 § ~t § 60

D'autres MLI ant dgalement 4t4 4tud14es, mais elles ne permettent pas d'utiliser l'ensemble

des ressources possibles en tension. C'est pourquoi, c'est cette MLI dite Vecteur spatial (Spacevector en

anglais) ou MLI vectorielle, qui a 4t4 retenue [9,12].Les rdsultats de compensation avec ce type de filtre actif sont donn4s h la figure 24. La

compensation est satisfaisante pour les l~armoniques de rang bas mais elle n'est pas efficace

aux fr4quences procl~es de la commutation [10].Afin de filtrer les l~armoniques dus aux commutations, un filtre en T est interca14 entre le

pont et le r4seau comme le montre la figure 25.

Le contr61e est assur4 h l'aide d'un r4gulateur de type RST. Nous 4tudierons l'effet d'un

filtre de d4couplage en T dans le paragrapl~e suivant consacr4 h l'exp4rimentation.

2.3. #VALUATION DES PERFORMANCES EN COAIPENSATION TEMPORELLE SUR UN VARIATEUR

DE VITESSE. L'objectif de cette Atude est aussi la rAalisation expArimentale. C'est pourquoi,

une maquette de 100 kVA h GTOa dtd rdalisde par CEGELEC DEI h Belfort [12,13].


Lr

Vrh

lfh

Li

Vondh

SFA

Fig. 20. Schdma monophasd du rdseau pour le calcul de la tension harmonique

[Single phase mains model for voltage harmonic calculation.]

A~quis>tio~ d~5 ~bFb~~~c~5 Cou~a~t final=Cou~a~t d~ ~bfb~~~c~

Calcul de la MLI Envoi d~s i~puhio~~

P@~iode d'@chantillo~naged >

Fig. 21 Retard imposd par la m4thode de calcul.

[Imposed delay in the calculation method

.

~

~

Fig 22. - du contr61e vectoriel s


jfl

Ye @f£y

l'e ~

( Ti ~i~ ~~

Fig. 23. D6composition d'un vecteur tension selon quatre configurations d'interrupteurs.

[Voltage vector decomposition with respect to switching patterns.]

(Cou÷ant de cha÷ge Ical '°°°

o

-loco

~l de fit±÷e If

cl

o o o.22 o o

too

@ Spec±÷e Is

5a

o

c Jo 20 30 40 o lo 20 30 AC

Fig. 24. R4sultats de simulation de la commande MLI vectorielle

[Numerical simulation results with vectorial PWM control

lfiltre Lfo,Rfo Lfb,Rfb

Cf U

~T

Fig. 25. Filtre actif avec filtre en T ou du 3~ ordre.

[Active filter with a third order T passive filter.]


Rbseau

ii

F>ltre

Act>f

Rdsis~nw

Fig. 26. Sch4ma exp4rimental

[Experimental device.]

La figure 26 montre le schdma expArimental d'essai du filtre actif.

La charge polluante est un pont de GraAtz h six impulsions. La figure 27 montre les rdsultats

de l'41imination des harmomques avec unfiltre actif dont le filtre de d4couplage est une simple

inductance.

Les harmoniques de courant de rang peu 41evd sont bien filtrds. Cependant une raie h la

fr4quence de commutation apparait.Le mAme essai r4p4td cette fois avec un filtre actif ayant un filtre de ddcouplage du troisiAme

ordre en T donne les rdsultats de la figure 28.

Comme dans le cas pr6c4dent les harmoniques de rang peu 41ev4 sent 41imin4s mais cette

fois aucun harmonique du h la commutation n'est visible sur le courant absorb4au r4seau.

Une r4gulation des harmoniques par P-I- a aussi 4t4 r4alis4e. Il s'agit dans ce cas de compensertotalement les harmoniques 5 et 7 absorb4s au r4seau.

Le sch4ma de connexion du filtre actif sur un jeu de barres est donn4 h la figure 29.

La mesure des harmoniques 5 et 7 est obtenue dans deux systAmes d'axes d, q toumant aux

frdquences 250 Hz et 350 Hz grhce au Systbme d'Acquisition des Harmoniques (S.A.H). La

r4gulation se fait dans ce cas sur des grandeurs continues ce qui permet donc l'utilisation de

rAgulateurs de type P-I- Une modulation permet ensuite le calcul des> r4f4rences temporelles du

filtre actif comme le montre la figure 30.

La figure 31 montre le courant absorb4 au r4seau par deux ponts de Grabtz sans et avec le

filtre actif et la figure 32 donne les d4compositions harmoniques de ces courants.

La figure 33 donne les harmomques de rangs 5 et 7 lors d'une variation de la charge du

rdseau de la figure 29. Un convertisseur est en rdgime 4tabli alors que l'autre est h l'arrAt. Lors

de la mise en fonctionnement du second variateur, les amplitudes des harmoniques varient

considdrablement Cet essai est reproduit mais cette fois le filtre actif est connectA au rdseau.


+lSaQ +>5aQ

J~ ~~'~ "s

an an

~

~_-'5dQ -<5aQ

75,aQJd'. non,Cal 4,ams'4'u hertz. 75.ao'd'u non,ca< 4 ame'd,u hertz.

100 A 100

0 A 0 A

FUND 32 FUND 32

Sans filtre actif Avec filtre actif

Fig. 27. Compensation des harmoniques avec un filtre de d4couplage du premier ordre

[Harmonic compensation with afirst order decoupling filter.]

+15aQ +25aQ

~ r- Wj I~

/~ ~

~~ ~j ~~ l'~ ~

/

~-[San -25@Q

?5.@Q,din ;«rtical 4,@.s'41<, hertz. >25.@Q'diu uortica> 4 @.e'dii, hertz.

100A 100A

0 A 0 A

FUND 32 FUND 32

Sans filtre actif Avec filtre actif

Fig 28. Compensation des harmoniques avec un filtre de d4couplage du 3~ ordre.

[Harmonic compensation witha

third order decoupling filter

Les harmoniques considArds sent totalement dliminAs et la variation de charge est h peineressentie sur les amplitudes mesurAes. Le filtre actif manifeste, dans cette configuration, de

bans rAsultats en rAgime dynamique.

Cette m6thode de rAgulation de courants harmoniques est gAnAralisable au filtrage en tension.


R6sea~

lrr

T

~filtre~

/joctif

Gfinfirate~rs d'~a~~lor q~es

Fig 29. RAguation des harmoniques 5 et 7 gAnArAs par deux convertisseurs connectds en parallble.

[Regulation of 5~~ and 7~~ harmonics of two parallel connected converters.]

+Rdfdrence

I5d P IModulation

de courant

~~~ I5q P

2/3 hannomqUeIm2I7d P I

Modulation~

~~~ s AH I7q P

Fig. 30. Principe de l'acquisition des harmoniques par le systAme SAH.

[Harmonic identification principle with SAH system

2.4. FILTRAGE EN TENSION. Le principe est donn4 h la figure 34. Un convertisseur g4nbredes courants harmoniques Ih1. Ceux-ci au travers du rAseau gAnArent une tension harmoniqueVh1. Une charge sensible connectAe sur un jeu de barres aval voit lis harmomques Vh1.

Le filtre actif en dApollution de tension est connect4 sur le mAme jeu de barres que la chargesensible et gAnAre des courants harmoniques de telle sorte que la tension harmonique aux bornes

du transformateur d'alimentation du jeu de barres de la charge sensible annule les effets du

convertisseur polluant [12].

L'int4rAt de cette solution r4side dans la faible puissance n4cessaire au filtre actif. Alors quele filtrage en courant consiste h filtrer la totalit4 de la charge, ici il n'est question que de filtrer

une partie de ces harmoniques d'off une baisse considdrable de la piissance instal14e.

Le principe de r4gulation est sensiblement le mAme que celui pr4c4demment utilis4. Des ma-

trices d'admittance sent interca14es et permettent de tenir compte du r4seau afin de transformer

les harmoniques de tension en harmoniques de courant comme le montre la figure 35.

Le montage exp4rimental d4crit h la figure 36 est le sch4ma de c/nnexion de l'entrainement

d'une casemate d'4quilibrage de rotor d'altemateurs. Le moteur h c)ourant continu d'entraine-

ment a une puissance de 5 MW et est connect4 sur le r4seau 15 kV. Il est 4vident que le filtragetotal de cette installation demande des moyens h l'4chelle du convejtisseur.


,,<1«< ,,<1,,<,,,<I<,< I««j«< ,«<1,«

1> <' 1, , 11 , , ,1 1)11 111 1' 11 11 ,, 1' 1, ,

Fig. 31. Courant absorbd au rdseau par deux pouts de Gradtz sans et avec le filtre actif (rdsultatsexpdrimentaux).

[Mains experimental current when loaded by two rectifier bridges with and without active filter.]

SANSmTREACTIF AVECFILTBEACTIF

~Sum ii<h 32»'rONO "" '?"'

,Hm, ~ cw0eHT @WRLITU&e SReCT~»r'L~~c~/~~~~' ~~~'~~ ~~~~'~~~~~~'~~ ~'~~

Y>iiE t ciiiEht sficiiu> Y>isE i c~iiEti witiiui

Kax trial curr?ntl ill I tasMax load curtwtl Iii ins

fundat?ntal freql ii-i ii fundao?ntal ?r?ql Si.I b

St8E S18E

iii> fC1 fJkSE Jl18 Yt1 YiISE

)(it iii((( ~[ii~iii( iii)(( ~~ii~

3rd lAi -it' lrd 3.lX -iS'

Sib 44.£i it' Sth I-ix -I£'

lib 1£,4/ IS' lth I,3X -32'

ill 1.31 -1' ith I,42 -lS'

ilth 4.41 -it' llth 4.?X -ii'

ilth I.2z -£' ilth 3,lz I'

iith I-Ii ii' lsth S,4X ii'

I?th I-D -Ii' I?th 4,lX -13[

((~~ ((~~~~~ (~~

~,~( '~l'

tin 3,il -??' llrd i-ii -14'

lsth I-n -li' lith S,3i-141[

1]'~ ~'~~ ~l?~ (()) f'# ~'~'

Fig 32. -Ddcomposition harmonique du courant absorbd au r4seau par deux pouts de GraAtz

(r4sultats exp4rimentaux).

[Harmonic decomposition of mains current (experimental results)


~° ~m litude H5

,

~hmplitude I H 7

oA

-(--,,J

->-

5°A ' litude 1H5

1». j» .»j

~ ~

mplitude I H 71

>-- -i-

$~dmarrage du deuxidrne convenisseur (

Echelle 2 s/div

Fig. 33 R6ponse dynamique du filtre actif en d6pollution fr6quentielle influence d'une variation

de charge sur les amplitudes des courants harmoniques 5 et 7 avec et sons filtre actif (r4sultats exp4-rimentaux).

[Dynamic reponse of active filter with respect to the variation of 5~~ and 7~~ current harmonics

(experimental results).]

vhlV~l

VhVh

lh2j

#)(j~Filtre Charge

sensible

'h2 # ° filh2 «

lit fiVh2 # 0 Vh2 =

Vh*I

Fig. 34 Principe du filtrageen tension.

[Voltage active filtering principle.]

V5d P 1.

~~V5a P 1.

' ~°~"~°~'°~R0t6re~ces

V2 2/3 de courants

V3 S-A-H ~~~i ~7 Modulatio~

~~~~'°~'~~~~

Fig. 35.-Principe d'obtention des r4f4rences de courant harmonique d'aprbs des tensions

harmoniques.

[Current harmonic references calculation through voltage harmonic measurement


lSkV

SMVA

4oov

Fig. 36. Sch4ma exp4rimental de connexion du filtre actif en d4pollution de tension d'un entraine-

ment de 5 MVA.

[Experimental device of an active filter for voltage harmonic compensation of a 5 MVA drive

Le filtre actif a 4td testd en ddpollution de tension au secondaire d'un transforrnateur

15 kV/400 V. Lorsque le filtre actif ne fonctionne pas, les harrnoniques rnesur4s sur le jeude barres 400 V sent rigoureusernent les rnArnes que ceux observables sur le jeu de barres

15 kV.

La figure 37 montre les harmoniques 5 et 7 en tension sur le jeu de barres 400 V ainsi que

les courants harmoniques 5 et 7 gdndrds par le filtre actif lors d'un dquilibrage d'un rotor. Le

principe de l'dquilibrage est simple:

le rotor est accdldrd pendant 5 minutes jusqu'h la vitesse

d'dquilibrage puis est maintenu pendant 7 h 10 minutes h vitesse fixe afin d'effectuer les mesures

d'dquilibrageLe rotor est ensuite freind jusqu'h l'arrAt. Durant les phases d'acc414ration et de freinage, les

harmoniques de tension 5 et 7 sent importants et repr4sentent respectivement 5 % et 1,7 % de

la tension fondamentale du r4seau 15 kV.

En pr4sence du filtre actif lors du mAme essai, le filtre gdnbre des courants harmoniques 5

et 7 de 150 et 100 Aeff. Les tensions harmoniques 5 et 7 sent bien att4nu4es puisqu'elles ne

repr4sentent plus que 0,5 et 0,7 % de la tension fondamentale.

3. Conclusion

Dans cet article, nous avons d'abord prdsent4 les diffdrents moyens de ddpollution d'un rdseau

dlectrique. Le filtrage actif adtd particulibrement visa avec comme principal objectif la valida-

tion des 4tudes analytiques et des simulations num4riques par des expdrimentations h l'dchelle

r4elle

Les rdsultats de la maquette dans diffdrentes configurations de filtrage indiquent de bonnes

performances en d4pollution harmonique en courant comme en tension de rang infdrieur h dix

pour la fr4quence de commutation choisie. Cette limitation de fr4quence est impos4e par les

composants semi- conducteurs employds Une augmentation de la frdquence de ddcoupage parl'utilisation de composants plus rapides, comme les IGBT, ou bien par une modification de la

structure de puissance, pant multiniveaux ou pants entrelacAs, permettrait un gain de la bande

passante du filtre actif.

L'utilisation d'un filtre en T a permis d'41iminer les effets de la commutation du filtre actif

sur le r4seau.


Tension harmonique 5

0%a 0%

150 A 150 A,

i

Courant harmonique 5gknkrk pane F-A-

0A o

2.5%a 2.5%

Tension harmonique 7

~~0 @« ~M

~~°

~

50A 50A

Courant harmonique 7gbndrk pane F-A-

0A oA

0 30min 0 30min

Sans le filtre actif Avec le filtre actif

Fig. 37. Tension harmoniques 5 et 7 sur le jeu de barres 400 V ainsi que les courants harmoniques5 et 7 gdndrds par le filtre actif lors d'un dquilibrage d'un rotor.

[Experimental 5~~ and 7~~ voltage harmonicsin

400 V busbar.]

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