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~~r Université du Québec à Trois-Rivières École d'Ingénierie, Département de gé

~~r Université du Québec à Trois-Rivières École d'Ingénierie, Département de génie électrique et génie informatique MÉMOIRE PRÉSENTÉ À L'UNIVERSITÉ DU QUÉBEC À TROIS-RIVIÈRES COMME EXIGENCE PARTIELLE POUR L'OBTENTION D'UN DIPLÔME DE MAÎTRE ES SCIENCES APPLIQUÉES EN GÉNIE ÉLECTRIQUE PAR SANAE RECHKA ÉTUDE DE MÉTHODES DE FILTRAGE DES~ONIQUESDANSLESRÉSEAUX ÉLECTRIQUES DE DITRIBUTION Avril 2002 Université du Québec à Trois-Rivières Service de la bibliothèque Avertissement L’auteur de ce mémoire ou de cette thèse a autorisé l’Université du Québec à Trois-Rivières à diffuser, à des fins non lucratives, une copie de son mémoire ou de sa thèse. Cette diffusion n’entraîne pas une renonciation de la part de l’auteur à ses droits de propriété intellectuelle, incluant le droit d’auteur, sur ce mémoire ou cette thèse. Notamment, la reproduction ou la publication de la totalité ou d’une partie importante de ce mémoire ou de cette thèse requiert son autorisation. RESUME La pollution harmonique est l'un des problèmes majeurs qui dégrade la qualité d'énergie électrique dans les systèmes de distribution. Les effets des harmoniques les plus connus sont: la destruction de condensateurs ou des disjoncteurs sous l'effet de forts courants harmoniques amplifiés par des résonances; l'échauffement des transfonnateurs et des conducteurs de neutre et les effets à long tenne qui se traduisent par une fatigue accélérée du matériel. En comparaison avec les solutions classiques contre les perturbations harmoniques, à savoir le sur- dimensionnement de l'installation ou l'insertion de filtres passifs accordés, le filtrage actif est une solution qui présente de meilleures perfonnances. L'objectif du présent projet est d'évaluer l'efficacité des différents moyens de filtrage d'hannoniques. En ce qui concerne le filtrage passif, la configuration de filtres résonants et amortis parallèles est étudiée théoriquement et par simulation. De nombreuses configurations de filtres actifs peuvent être rencontrées, mais toutes sont basées sur un onduleur (avec transistors de puissance et diodes), une source continue de tension ou de courant et un circuit de filtrage et de couplage. Dans le cadre du présent projet, deux catégories de filtres actifs sont étudiées :' - Un filtre actif dédié à la compensation harmonique; il est composé d'un onduleur de tension parallèle commandé en courant pour agir en tant que source de courant. Il s'agit d'une application usuelle qui représente une étape préliminaire assez importante pour mettre en valeur l'effet compensatoire. - Un filtre actif hybride parallèle dédié à l'amortissement de la résonance; il est composé d'un filtre actif mis en série avec un filtre passif résonant. Le filtre actif série est commandé (contrairement au premier filtre) en tension pour agir en tant que source de tension contrôlable. Ses caractéristiques doivent répondre aux exigences de la nonne IEEE 519-1992 dont le but est de limiter la distorsion harmonique totale de tension, au point de raccordement entre le distributeur d'électricité et le consommateur, à un maximum de 5%. -i- La commande auto-adaptative en courant ou en tension du filtre actif nécessite l'implantation d'un programme permettant la détection des harmoniques et la génération de signaux MU afin de commander l'onduleur. Dans ce sens, des algorithmes de détection des harmoniques sont étudiés théoriquement et par simulation à l'aide de l'outil informatique MA TLAB-SIMULINK; ils sont de plus validés en temps réel à l'aide du système dSPACE. Il s'agit des algorithmes basés sur les méthodes suivantes: i) la méthode des puissances instantanées, ii) la Transformée de Fourier Discrète, iii) la Transformée de Fourier Discrète Récursive et iv) le filtre de Kalman. Ces méthodes donnent directement la forme d'onde des harmoniques à compenser et peuvent être adaptées à la détection des harmoniques en temps réel. Une comparaison entre ces différentes méthodes, en terme de précision, de rapidité de convergence et de suivi d'un signal de paramètres variant dans le temps, ainsi qu'en terme de qualité de filtrage harmonique, notamment d'atténuation de la résonance, vise la mise en valeur du degré de performance de chacune des techniques suscitées. L'application de ces différentes méthodes à la commande du filtre actif nécessite en plus du logiciel MATLAB-SIMULINK l'utilisation de l'outil de simulation POWER SYSTEM BLOCKSET. Finalement, pour la mise en œuvre pratique, nous nous sommes intéressés à l'application du filtre actif hybride qui combine les avantages du filtre passif et du filtre actif et permet aussi bien un bon amortissement de la résonance que le filtrage harmonique. Dans ce sens, un banc d'essai a été élaboré dans le cadre de ce projet pour fins de validation des résultats de simulation. -1I- REMERCIEMENTS Je tiens à remercier tous ceux qui ont contribué de loin ou de près à la réalisation de ce projet de maîtrise, d'abord je tiens à remercier mon directeur M. Éloi Ngandui ainsi que mon codirecteur M. Jianhong Xu qui m'ont orienté et m'ont aidé grâce à leurs judicieux conseils à mener à bonne fin ce projet. Mes remerciements n'épargnent non plus M. Pierre Sicard titulaire de la chaire de recherche industrielle d'hydro-Québec à l'université du Québec à Trois-Rivières pour son apport au projet, et aussi la Chaire d'hydro-Québec ou tout organisme parrain pour tout soutien financier. Je tiens à remercier aussi tout le corps professoral et administratif de l'université du Québec à Trois-Rivières qui ont contribué directement ou indirectement à la réussite de ce projet, je cite particulièrement M. Abdellfattah Ba-Razzouk, M. Jacques Poisson et M. Ahmed Chériti pour leur support matériel dans le cadre de la mise en œuvre pratique relative au présent projet. Je remercie également M. Daniel Massicotte pour ses orientations dans le cadre du cours Séminaire. Enfin, je remercie toute ma famille, mes amis et aussi mes camarades chercheurs et étudiants pour leur appui durant ce travail. -iii- TABLE DES MATIERES TITRES Page RESUME REMERCIEMENTS 111 TABLE DES MA TIERES IV LISTE DES SYMBOLS IX LISTE DES FIGURES X111 LISTE DES TABLEAUX XVlll CHAP. 1 INTRODUCTION GENERALE 1 1.1 Introduction 1 1.2 Causes et effets de la propagation des harmoniques 3 1.2.1 Charges génératrices d'harmoniques 3 1.2.1.1 Charges génératrices d'harmoniques de tension 3 1.2.1.2 Charges génératrices d'harmoniques de courant 4 1.2.2 Emission d'harmoniques par catégorie d'utilisateurs 6 1.2.2.1 Utilisateurs domestiques 6 1.2.2.2 Secteur tertiaire 6 1.2.2.3 Secteur industriel 7 1.2.3 Impact de la propagation des harmoniques 7 1.2.3.1 Effets des harmoniques 7 1.2.3.2 Sensibilité de différents types de matériels 8 1.2.4 Phénomène de résonance 9 1.2.4.1 Types de résonance 9 1.2.4.2 Problèmes liés aux résonances Il -iv- 1.2.5 Formules de mesure quantitatives des harmoniques 13 1.2.5.1 Transformée de Fourrier 13 1.2.5.2 Grandeurs électriques en régime déformé et indices 14 d'harmoniques 1.3 Solutions de filtrage des harmoniques 17 1.3.1 Filtrage passif 17 1.3.1.1 Principe 17 1.3.1.2 Différents types de filtres parallèles 18 1.3.1.3 Avantages et inconvénients des filtres passifs 23 1.3.2 Filtrage actif 24 1.3.2.1 Principe 24 1.3.2.2 Principaux types de filtres 25 1.3.2.3 Principales combinaisons possibles 27 1.3.2.4 Avantages et inconvénients des filtres actifs 29 1.3.2.5 Filtres hybrides parallèles dédiés à l'amortissement de 30 la résonance 1.3.3 Stratégies de commande des filtres actifs 34 1.3.3.1 Transformée de Fourier Discrète (DFT) 35 1.3.3.2 Transformée de Fourier Discrète Récursive (DFTR) 36 1.3.3.3 Filtre de KALMAN 36 1.3.3.4 Méthode des Puissances Instantanées 38 1.4 Conclusion 38 CHAP.2 ETUDE ET DIMENSIONNEMENT DES FILTRES PASSIFS 40 2.1 Introduction 40 2.2 Méthode de dimensionnement d'un filtre passif parallèle et algorithme 41 associé - y - 2.2.1 Conception d'un filtre résonant simple 41 2.2.2 Conception d'un filtre amorti (passe-haut) de second ordre 50 2.2.3 Algorithme de conception des filtres résonants et du filtre 51 amorti 2.3 Implantation du filtre passif à l'aide des outils de simulation 59 2.3.1 Présentation du réseau-type 59 2.3.2 Application du filtre passif au réseau choisi 62 2.4 Conclusion 70 CHAP.3 STRATEGIES DE COMMANDE DES FILTRES ACTIFS 71 3.1 Introduction 71 3.2 Principes théoriques de différentes méthodes de détection des harmoniques 72 3.2.1 Théorie des puissances active et réactive instantanées 72 3.2.2 Transformée de Fourier discrète 74 3.2.3 Transformée de Fourrier Discrète récursive 75 3.2.4 Filtre de KALMAN 77 3.3 Schémas de simulation et définition des paramètres 83 3.3.1 Méthode des puissances instantanées 83 3.3.2 Transformée de Fourier Discrète (DFT) 84 3.3.3 Transformée de Fourier Discrète Récursive (DFTR) 85 3.3.4 Filtre de KALMAN 86 3.4 Résultats de simulation 88 3.4.1 Validation des différents algorithmes de détection des 88 harmoniques 3.4.2 Caractérisation pratique des différents algorithmes 92 3.5 Conclusion 104 - Yl- CHAP.4 ApPLICATION DES ALGORITHMES DE DETECTION HARMONIQUE A LA 106 COMMANDE DU FILTRE ACTIF 4.1 Introduction 4.2 Compensation des harmoniques 4.2.1 Schéma d'un réseau électrique de distribution typique 4.2.2 Schéma de commande du filtre actif 4.2.3 Résultats de simulation 4.3 Atténuation de la résonance harmonique 4.3.1 Description du réseau-type électrique de distribution 4.3.2 Principe de fonctionnement du filtre actif 4.3.3 Schéma de commande du filtre actif 4.3.4 Résultats de Simulation 4.4 Conclusion CHAP.5 MISE EN ŒUVRE PRATIQUE D'UN FILTRE ACTIF HYBRIDE AVEC DIFFERENTS ALGORITHMES DE DETECTION HARMONIQUE 106 107 107 108 111 116 117 118 120 121 135 136 5.1 Introduction 136 5.2 Implantation en temps réel des algorithmes de détection des harmoniques 137 5.3 Application des différentes stratégies à un filtre actif dédié à l'atténuation 141 de la résonance harmonique 5.3.1 Mise en œuvre d'un banc uploads/Finance/ memoire-presente-l-x27-universite-du-quebec-trois-rivieres.pdf