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UNIVERSITE DU QUEBEC A CHICOUTIMl MEMOIRE PRESENTE COMME EXIGENCE PARTIELLE DE

UNIVERSITE DU QUEBEC A CHICOUTIMl MEMOIRE PRESENTE COMME EXIGENCE PARTIELLE DE LA MAÎTRISE EN INGÉNIERIE PAR STEEVE BEAULIEU ETUDE ET MISE AU POINT D'UN FILTRE ACTIF D'HARMONIQUES EN VUE D'AMÉLIORER LA QUALITÉ DE L'ALIMENTATION ÉLECTRIQUE MAI 2007 Mise en garde/Advice Afin de rendre accessible au plus grand nombre le résultat des travaux de recherche menés par ses étudiants gradués et dans l'esprit des règles qui régissent le dépôt et la diffusion des mémoires et thèses produits dans cette Institution, l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) est fière de rendre accessible une version complète et gratuite de cette œuvre. Motivated by a desire to make the results of its graduate students' research accessible to all, and in accordance with the rules governing the acceptation and diffusion of dissertations and theses in this Institution, the Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) is proud to make a complete version of this work available at no cost to the reader. L'auteur conserve néanmoins la propriété du droit d'auteur qui protège ce mémoire ou cette thèse. Ni le mémoire ou la thèse ni des extraits substantiels de ceux-ci ne peuvent être imprimés ou autrement reproduits sans son autorisation. The author retains ownership of the copyright of this dissertation or thesis. Neither the dissertation or thesis, nor substantial extracts from it, may be printed or otherwise reproduced without the author's permission. RESUME Un des phénomènes important entraînant la dégradation de la qualité de l'énergie est la présence de la pollution harmonique sur les réseaux électriques. Les conséquences les plus connues de ce phénomène sont : la destruction de condensateurs, le déclenchement intempestif de disjoncteurs, les phénomènes de résonance avec les éléments composant le réseau, réchauffement de conducteur de neutre et de transformateur ainsi que l'usure qui est due à réchauffement des équipements qui sont soumis aux harmoniques. En comparaison avec les moyens classiques de mitigation, tels que le surdimensionnement des installations ou le filtrage passif, le filtrage actif est considéré par les spécialistes des réseaux comme étant la solution avant-gardiste pour filtrer les harmoniques. L'objectif du présent projet consiste à mettre en œuvre un modèle en temps réel d'un filtre actif, ce qui est la principale contribution de ce projet. Afin d'accomplir cette tâche, l'outil de développement numérique RT-LAB est utilisé. RT-LAB est un logiciel industriel qui permet de réaliser des simulations hybrides (avec le matériel intégré dans la boucle) en temps réel. La simulation en temps réel du filtre actif permet de démontrer l'efficacité de ce dernier pour la compensation d'harmoniques en accord avec la norme IEEE Std 519-1996. Dans ce document, nous débuterons par énoncer, en guise de généralité, les définitions de base, ainsi que l'étude des causes à effet de la pollution harmonique. Ensuite, les moyens de mitigation les plus connus seront passés en revue. Les points faibles de ces méthodes nous ont amené inévitablement vers le filtre actif qui est la solution la plus avantageuse. Les principales structures de filtre actif ainsi que leurs caractéristiques y seront alors présentées. Le filtre actif parallèle à structure de tension est celui qui est utilisé pour faire la compensation des harmoniques dans le présent projet. Étant donné que les performances du filtre actif sont grandement influencées par l'algorithme de commande utilisé, une comparaison entre quatre types d'algorithmes de commande est élaborée. Ces algorithmes de commande sont : la méthode des puissances instantanées, le référentiel synchrone, le filtre notch et le filtre de Kalman. Cette comparaison est effectuée à l'aide du logiciel MATLAB/Simulink/SimPowerSystems. L'algorithme basé sur le référentieî synchrone a été finalement intégré dans la commande du filtre actif pour la simulation en temps réel dans RT-LAB. 11 REMERCIEMENTS II me fait plaisir de prendre ces quelques lignes, si peu nombreuses, afin de remercier les personnes qui m'ont soutenu durant ce projet de recherche. De façon spéciale, je tiens à remercier mon directeur M. Mohand Ouhrouche qui a cru en moi et m'a permis de faire ce projet au sein de son laboratoire de recherche LICOME. Son support et son professionnalisme ont rendu possible la réalisation de ce travail. À ma tendre épouse et mes deux petites filles, qui ont dû être privées de leur mari et père certains soirs et fins de semaine. Vos nombreux sacrifices et votre support ont été pour moi une source de réconfort et d'encouragement. ni TABLE DES MATIERES RÉSUMÉ ii REMERCIEMENTS...... iii LISTE DES FIGURES vil CHAPITRE 1 Introduction 9 1.1 Mise en contexte 10 1.2 Revue bibliographique... ....11 1.3 Objectif du projet.. 13 1.4 Méthodologie 14 1.5 Contribution 14 CHAPITRE 2 Généralités sur les harmoniques 16 2.1 Introduction 17 2.2 Charges industrielles génératrices d'harmoniques 17 2.2.1 Redresseur triphasé à diodes et filtre capacitif 18 2.2.2 Convertisseur de courant 18 2.2.3 Les appareils à arc électrique 19 2.3 Les effets de la pollution harmonique ....21 2.3.1 Phénomènes de résonance 22 2.3.2 Échauffement dans les conducteurs et les équipements électriques 23 2.3.3 Vibrations mécaniques. 24 2.3.4 Effets sur le conducteur neutre , 24 2.3.5 Dysfonctionnement d'appareils utilisant la tension comme référence 25 2.4 Normes de qualité 25 2.5 Conclusion..... 26 27 CHAPITRE 3 Moyens de mitigation contre la pollution harmonique 3.1 Introduction 28 3.2 Surdimensionnement du neutre 28 3.3 Transformateurs spéciaux 28 3.3.1 Transformateur de mise à la terre 28 3.3.2 Transformateur de type K 29 3.3.3 Transformateurs déphaseurs 30 3.4 Filtrage d'harmoniques 31 3.4.1 Filtrage passif 32 3.4.1.1 Principe de fonctionnement 32 3.4.1.2 Classification des filtres passifs 32 3.4.1.3 Filtre passif parallèle ..........33 3.4.1.4 Types de filtres parallèles 34 IV 3.4.1.5 Coût du filtre passif. 37 3.4.1.6 Effet de l'impédance réseau sur le filtre passif .38 3.4.2 Filtrage actif .39 3.4.2.1 Principe de fonctionnement du filtre actif 40 3.4.2.2 Classification des filtres actifs ....41 3.4.2.3 Coût du filtre actif 47 3.4.2.4 Effet de l'impédance du réseau sur le filtre actif 47 3.5 Comparaison générale entre le filtre passif et le filtre actif 48 3.6 Conclusion 48 CHAPITRE 4 Structure du filtre actif parallèle et stratégies de commande..... ..50 4.1 Introduction.... 51 4.2 Structure du filtre actif 52 4.2.1 Filtre actif parallèle à structure de tension 52 4.2.2 Filtre actif parallèle à structure de courant 55 4.2.3 Comparaison des structures de filtres actifs 57 4.3 Commande des filtres actifs 62 4.3.1 Génération des signaux de référence 63 4.3.2 Génération des signaux de contrôle 65 4.4 Conclusion 65 CHAPITRE 5 Mise en œuvre de la commande du filtre actif à structure de tension 66 5.1 Introduction 67 5.2 Génération de signaux de référence 67 5.2.1 Algorithme de commande basé sur les puissances instantanées 68 5.2.2 Algorithme de commande basé sur le référentiel synchrone... 71 5.2.3 Algorithme de commande basé sur le filtre Notch 73 5.2.4 Algorithme basé sur le filtre de Kalman 75 5.2.4.1 Équations de base du filtre de Kalman 75 5.2.4.2 Représentation des équations d'état d'un signal d'amplitude variant dans le temps en utilisant une référence fixe 76 5.2.4.3 Principe de l'algorithme basé sur le filtre de Kalman 78 5.3 Génération des signaux de contrôle par hystérésis 80 5.4 Comparaison des algorithmes de commande du filtre actif. 82 5.4.1 Résultats des simulations 85 5.4.1.1 Commande basée sur l'algorithme des puissances instantanées 85 5.4.1.2 Commande basée sur l'algorithme du référentiel synchrone 87 5.4.1.3 Commande basée sur le filtre notch 89 5.4.1.4 Commande basée sur l'algorithme du filtre de Kalman 91 5.4.2 Discussion des résultats 93 5.5 Conclusion 94 CHAPITRE 6 Mise en œuvre d'un modèle temps réel de filtre actif.... 96 6.1 Introduction 97 6.2 Système en temps réel 97 6.3 Introduction à la plate-forme temps réel RT-LAB 99 6.3.1 Principe de fonctionnement de RT-LAB ..100 6.3.2 ARTEMIS 102 6.3.3 RT-EVENTS......... 102 6.4 Modélisation du filtre actif en temps réel 103 6.4.1 Montage expérimental utilisé pour les simulations en temps réel 110 6.5 Résultats de simulation 111 6.5.1 Simulation en régime permanent 111 6.5.2 Simulation en régime transitoire 114 6.6 Conclusion 116 CHAPITRE 7 Conclusion 117 7.1 Travaux futurs 120 Bibliographie 121 ANNEXE A Liste des abréviations et sigles 125 A.l Liste des symboles 126 A.2 Liste des indices 128 ANNEXE B Formules de mesure quantitative des harmoniques.. 130 B.l Série de Fourier 131 B.2 Expression des variables aux bornes et des variables aux travers 132 ANNEXE C Norme IEEE std 519-1992 137 ANNEXE D Article de conférence 139 VI LISTE DES FIGURES Figure 2.1 - Résonance parallèle et résonance série 22 Figure 3,1 - Transformateur de mise à la terre 29 Figure 3.2 - Utilisation des transformateurs déphaseurs pour éliminer les 5teme et 7mms harmoniques 31 Figure 3.3 - a) Filtre série et b) Filtre parallèle 33 Figure 3.4 - Filtre résonant , 34 Figure 3.5 - Filtre amorti 35 Figure 3.6 - Types de filtre amorti 35 Figure 3.7 - Schéma monophasé d'un réseau avec deux filtres résonants et un filtre amorti 37 Figure 3.8 - Représentation du réseau côté ca 38 Figure 3.9 - Principe de fonctionnement du filtre actif parallèle 41 Figure 3.10 - Filtre actif série 42 Figure 3.11 - Filtre actif parallèle 43 Figure 3.12 - Conditionneur universel de la qualité d'onde 44 Figure 3.13 uploads/Industriel/ 25017489.pdf