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FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES U.F.R. Sciences & Techniques : S.T.M.I.A Ecol

FACULTE DES SCIENCES & TECHNIQUES U.F.R. Sciences & Techniques : S.T.M.I.A Ecole Doctorale: Informatique-Automatique-Electrotechnique-Electronique-Mathèmatique Département de Formation doctorale : Electrotechnique-Electronique Thèse Présentée pour l'obtention du titre de Docteur de l'Université Henri Poincaré, Nancy-I En Génie Electrique Par Mohamed Muftah ABDUSALAM Structures et stratégies de commande des filtres actifs parallèle et hybride avec validations expérimentales Soutenance publique prévue le 29 mai 2008 Membres du jury : Président : M. Jean MERCKLE Professeur, MIPS, Mulhouse Rapporteurs : M. Seddik BACHA Professeur, G2ELab/IJF, Grenoble M. Mohamed MACHMOUM Professeur, IREENA, Saint Nazaire Examinateurs : M. Mohammed ZOUITI Docteur, EDF, Clamart M. Philippe POURE Maître de conférences, LIEN, Nancy M. Shahrokh SAADATE Professeur, GREEN, Nancy Laboratoire GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et Electronique de Nancy) Faculté des Sciences & Techniques – 54500 Vandœuvre-lès-Nancy Avant Propos Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué depuis janvier 2005 au sein GREEN (Groupe de Recherche en Electrotechnique et en Electronique de Nancy) de l’Université Henri Poincaré, UHP-Nancy1. Qu'il me soit d'abord permis de remercier et d’exprimer ma gratitude envers le bon Dieu. Je tiens ensuite à remercier : Monsieur Jean MERCKLE, Professeur au MIPS à Mulhouse, qui m’a fait l’honneur de présider le jury de ma thèse. Monsieur Seddik BACHA, Professeur au G2ELab/IJF à Grenoble et Monsieur Mohamed MACHMOUM, Professeur à l’IREENA à Saint Nazaire, qui ont acceptés d’être rapporteurs de mon travail. Monsieur Mohammed ZOUITI, Docteur à EDF, site de Clamart, qui a accepté d’être examinateur à mon jury de thèse. Monsieur A. REZZOUG, Professeur à l'Université Henri Poincaré et Directeur du GREEN pour m'avoir accueilli au sein de son laboratoire. Monsieur S. SAADATE, Professeur à l’UHP, qui a dirigé et orienté mon travail tout au long de ces années de thèse. Monsieur P. POURE, Maître de Conférences au LIEN à l’UHP, qui a codirigé ce travail et m’a apporté aide et conseils durant ces années. Je tiens également à remercier tous les membres du laboratoire GREEN spécialement tous mes collègues qui ont contribué, chacune à leur manière, à l'accomplissement de cette thèse : Tahar HAMITI, Shahram KARIMI, Lotfi BAGHLI, Arnaud GAILLARD, Rijaniaina Njakasoa ANDRIAMALALA, Eid GOUDA. Je voudrais enfin remercier ma mère, mes frères et ma famille, qui depuis de si longues années, m'ont encouragé et soutenu dans la poursuite de mes études. SOMMAIRE INTRODUCTION GENERALE .......................................................................1 CHAPITRE I. PERTURBATIONS DES RESEAUX ELECTRIQUES........7 INTRODUCTION.................................................................................................................... 9 I.1 LES PERTURBATIONS HARMONIQUES .................................................................. 9 I.1.1 Sources des harmoniques et leurs effets ....................................................................... 9 I.2 LES NORMES IMPOSEES SUR LE THD................................................................... 11 I.3 SOLUTIONS DE DEPOLLUTION DES RESEAUX ELECTRIQUES.................... 15 I.3.1 Solutions traditionnelles.............................................................................................. 15 I.3.2 Solutions modernes..................................................................................................... 15 I.3.2.1 Filtre actif série .................................................................................................... 16 I.3.2.2 Filtre actif parallèle.............................................................................................. 17 I.3.2.3 Combinaison parallèle-série de filtres actifs........................................................ 17 I.3.2.4 Filtre hybride........................................................................................................ 18 I.4 CONFIGURATION DES FILTRES HYBRIDES........................................................ 18 I.4.1 Filtre hybride combinant filtres actif et passif............................................................ 20 I.4.1.1 Association série d’un filtre actif parallèle et d’un filtre passif........................... 20 I.4.1.2 Association parallèle d’un filtre actif parallèle et d’un filtre passif..................... 20 I.4.1.3 Association d’un filtre actif série et d’un filtre passif.......................................... 21 I.4.2 Topologies d’onduleur mises en œuvre pour les filtres actifs .................................... 22 I.4.2.1 Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à trois bras........................ 22 I.4.2.2 Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à deux bras avec condensateur à point milieu.............................................................................................. 23 I.4.2.3 Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à trois bras avec condensateur à point milieu.............................................................................................. 23 I.4.2.4 Filtre actif triphasé constitué d’un onduleur triphasé à quatre bras……………..24 I.5 COMMANDE DU FILTRE ACTIF ET TECHNIQUES MISES EN OEUVRE ...... 24 CONCLUSION....................................................................................................................... 27 CHAPITRE II. COMMANDE DU FILTRE ACTIF PARALLELE BASE SUR LA METHODE DES PUISSANCES INSTANTANEES AVEC DES FMVs…………………………………………………………………………..29 INTRODUCTION.................................................................................................................. 31 II.1 FILTRE ACTIF PARALLÈLE À STRUCTURE TENSION ................................... 32 II.1.1 Filtre de découplage................................................................................................... 34 II.2 PRINCIPE DE COMMANDE DU FILTRE ACTIF.................................................. 34 II.2.1 Determination des courants harmoniques de reference............................................. 35 II.2.1.1 Méthode des puissances instantanées................................................................. 35 II.2.2 Stratégie de commande de l’onduleur du filtre actif ................................................. 40 II.2.2.1 Contrôle par MLI................................................................................................ 41 II.2.2.2 Contrôle conventionnel par hystérésis................................................................ 41 II.2.2.3 Contrôle par hystérésis modulée......................................................................... 42 II.2.3 Régulation de la tension continue.............................................................................. 45 II.2.3.1 Régulateur proportionnel.................................................................................... 46 II.3 RESULTATS DE SIMULATION ................................................................................ 47 II.3.1 Performance du FMV................................................................................................ 48 II.3.1.1 Comportement du FMV..................................................................................... 48 II.3.2 Résultats de simulation du système étudié ................................................................ 51 II.3.2.1 Résultats de simulation dans le cas du contrôle par MLI................................... 54 II.3.2.2 Résultats de simulation dans le cas du contrôle par hystérésis conventionnelle 55 II.3.2.3 Résultats de simulation dans le cas du contrôle par hystérésis modulée............ 56 II.4 ETUDE DU COMPORTEMENT DU FILTRE ACTIF EN RÉGIME TRANSITOIRE...................................................................................................................... 57 II.5 INFLUENCE DES PARAMETRES ............................................................................ 59 II.5.1 Variation de l’inductance de découplage................................................................... 59 II.5.2 Variation de la tension aux bornes du condensateur ................................................. 59 II.5.3 Variation de la largeur de bande d’hystérésis............................................................ 60 CONCLUSION....................................................................................................................... 61 CHAPITRE III. REALISATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE PAR HYSTERESIS MODULEE D'UN FAP TRIPHASE..63 INTRODUCTION.................................................................................................................. 65 III.1 SCHEMA GOLBAL..................................................................................................... 66 III.2 PRESENTATION GENERALE DU MATERIEL EXPERIMENTAL.................. 67 III.2.1 Le Filtre actif parallèle à structure tension............................................................... 67 III.2.2 La charge polluante.................................................................................................. 68 III.2.3 Commande du filtre actif.......................................................................................... 68 III.2.3.1 Partie numérique (génération des références de courants)................................ 69 III.2.3.1.1 Résultats expérimentaux de la partie numérique............................................ 71 III.2.3.2 Partie analogique............................................................................................... 74 III.2.3.2.1 Circuit comparateur........................................................................................ 75 III.2.3.2.2 Circuit de protection....................................................................................... 76 III.2.3.2.3 Circuit d'interface........................................................................................... 77 III.2.3.3 Résultats expérimentaux ................................................................................... 78 III.2.3.3.1 Premier essai .................................................................................................. 78 III.2.3.3.2 Deuxième essai............................................................................................... 79 III.2.3.3.3 Troisième essai............................................................................................... 81 III.2.3.3.3.1 Mise en marche du filtre actif parallèle....................................................... 82 III.3 COMPARASION ENTRE RESULTATS DE SIMULATION ET RESULTATS EXPERIMENTAUX.............................................................................................................. 85 CONCLUSION....................................................................................................................... 87 CHAPITRE IV. FILTRE HYBRIDE PARALLELE A STRUCTURE TENSION...........................................................................................................89 INTRODUCTION.................................................................................................................. 91 IV.1 STRUCTURE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE............................................ 92 IV.2 COMMANDE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE............................................ 94 IV.2.1 Schéma classique de commande.............................................................................. 95 IV.2.1.1 Caractéristiques de filtrage................................................................................ 95 IV.2.1.2 Stratégie classique de commande ..................................................................... 97 IV.2.1.3 Etude de la boucle feedback.............................................................................. 98 IV.2.1.4 Etude de la boucle feedforward ...................................................................... 100 IV.2.1.5 Contrôle des tensions par MLI........................................................................ 102 IV.2.1.6 Régulation de la tension continue Vdc ............................................................. 102 IV.2.1.6.1 Détermination des paramètres du régulateur PI........................................... 103 IV.2.1.7 Résultats de simulations.................................................................................. 104 IV.2.1.7.1 Simulation de l'ensemble Réseau - Charge non-linéaire.............................. 104 IV.2.1.7.2 Simulation de l'ensemble Réseau - Charge non-linéaire - Filtre hybride parallèle .......................................................................................................................... 106 IV.2.2 Schéma de contrôle simplifié................................................................................. 108 IV.2.2.1 Présentation de la stratégie de commande ...................................................... 108 IV.2.2.2 Commande simplifiée ..................................................................................... 110 IV.2.2.2.1 Le contrôle de la boucle feedback................................................................ 110 IV.2.2.2.2 Le contrôle de la boucle feedforward .......................................................... 112 IV.2.2.3 Résultats des simulation.................................................................................. 113 IV.2.3 Suppression de la PLL du schéma de contrôle simplifié ....................................... 116 IV.2.3.1 Méthode de commande................................................................................... 117 IV.2.3.2 Résultats de simulation ........................................................................................... 118 IV.3 FILTRE HYBRIDE PARALLELE A DEUX BRAS AVEC ONDENSATEUR A POINT MILIEU................................................................................................................... 120 IV.3.1 Topologie ............................................................................................................... 120 IV.3.2 Stratégie de commande.......................................................................................... 123 IV.3.3 Résultats de simulation .......................................................................................... 124 IV.4 NOUVELLE COMMANDE DU FILTRE HYBRIDE............................................ 126 IV.4.1 Méthode de commande.......................................................................................... 127 IV.4.2 Résultats de simulation .......................................................................................... 128 IV.5 FILTRE HYBRIDE EN REGIME TRANSITOIRE............................................... 131 CONCLUSION..................................................................................................................... 133 CHAPITRE V. VALIDATION EXPERIMENTALE DE LA COMMANDE NUMERIQUE DU FHP PAR PROTOTYPAGE «FPGA-IN-THE-LOOP» …………………………………...……………………………………………135 INTRODUCTION................................................................................................................ 137 V.1 TECHNOLOGIE FPGA.............................................................................................. 137 V.2 DOMAINES D’APPLICATIONS DES FPGAs ........................................................ 138 V.3 STRUCTURE DES FPGAs ......................................................................................... 139 V.4 LANGAGE DE DESCRIPTION DE MATÉRIEL................................................... 140 V.5 METHODOLOGIE DE PROTOTYPAGE « FPGA IN THE LOOP ».................. 141 V.6 APPLICATION A LA COMMANDE NUMERIQUE DU FILTRE HYBRIDE PARALLELE ....................................................................................................................... 144 V.6.1 Le FHP et sa commande numérique........................................................................ 144 V.6.2 Modélisation et simulation en mode discret............................................................ 145 V.6.2.1 Discrétisation du FMV..................................................................................... 145 V.6.2.2 Discrétisation du régulateur PI......................................................................... 146 V.6.2.3 Discrétisation de la PLL de la boucle feedback ............................................... 147 V.6.2.4 Résultats de simulation en mode discret .......................................................... 148 V.6.3 Validation « FPGA in the Loop » ....................................................................... 150 V.6.3.1 Génération du signal triangulaire ..................................................................... 150 V.6.3.2 Génération des signaux sin et cos..................................................................... 150 V.6.3.4 Validation expérimentale « FPGA in the Loop » de la commande numérique 151 V.6.3.5 Implémentation sur cible FPGA....................................................................... 151 V.6.4 Prototypage « FPGA in the Loop » de la commande numérique............................ 153 CONCLUSION..................................................................................................................... 155 CONCLUSION GENERALE ........................................................................157 REFERENCES................................................................................................165 Glossaire Atr : l’amplitude du signal triangulaire Bh : la largeur de la bande d'hystérésis CEI : Commission Electrotechnique Internationale CEF : Commission Electrotechnique Française CENELEC : Comité Européen de Normalisation Electrotechnique UTE : Union Technique de l’Electricité CEF : Commission Electrotechnique Française. FPB : filtre passe bas FPH : filtre passe haut FAS : Filtre Actif Série FAP : Filtre Actif Parallèle FHP : Filtre Hybride Parallèle FMV : Filtre Multi Variables FPGA: Field Programmable Gate Array HDL : langage de description de matériel (en anglais, HDL pour Hardware Description Language) HIL: Hardware in the Loop is : courant de la source ic : courant de la charge if : courant injecté par le filtre i* f : courant référence K : constante du FMV Kc : constante de la boucle Feedback LUT : Look-Up-Table MLI : Modulation de Largeur d’Impulsion SRF : théorie du référentiel lié au synchronisme VHDL: Very high speed integrated circuit Hardware Description Language Vs : tension de la source Vf : tension imposée par l’onduleur Vdc : tension aux bornes du condensateur de l’onduleur THD : Taux de Distorsion Harmonique Introduction générale _______________________________________________________________________________________________________________ 1 uploads/Finance/ fmv-pdf.pdf