Rapport Gratuit
Le domaine de l’électronique de puissance est un espace en plein essor dû à l’apparition des technologies de développement durable et d’énergies renouvelables qui font appel aux développements et recherches réalisés dans ce domaine. Actuellement, ces recherches sont emmenées particulièrement sur les structures des convertisseurs statiques d’énergie électrique utilisant des semi-conducteurs qui satisfont au compromis rapidité et puissance ainsi que les méthodes de mitigation (filtres actifs, shunts, séries et hybrides) pour améliorer la qualité de l’énergie électrique, assurer le transfert de l’énergie électrique produite par les énergies renouvelables notamment l’énergie éolienne et l’énergie photovoltaïque et réduire la pollution harmonique générée par les charges non linéaires. L’emploie habituel des charges non-linéaire aide à la dégradation de la qualité de l’énergie dans le réseau électrique. Ces charges non-linéaire absorbent des courants non sinusoïdaux, même si elles sont alimentés par une tension sinusoïdale, elles se comportent par conséquent comme des générateurs d’harmoniques et échangent en plus de l’énergie réactive. En évidence, ce phénomène d’harmonique mérite d’être pris en considération et au sérieux vu les nombreuses anomalies qu’il peut produire.
En outre, si un courant harmonique passe à travers un circuit résonant, il se retrouve à la sortie bien amplifié. Dans le cas où les composantes du réseau électrique ou/et les charges y connectées ne soient pas bien dimensionnées pour supporter cette amplification de courant, la conséquence sera leur endommagement ou leur détérioration. Pour limiter les dommages générés par les harmoniques d’une manière générale, une des solutions pratiques mais coûteuse est l’utilisation de transformateurs spéciaux (Phase Shift Transformer). Ces derniers ont la caractéristique de supprimer les harmoniques sélectionnés. En considérant que les harmoniques sont des ondes ayant une fréquence et une amplitude, la solution la plus efficace est de les filtrer en utilisant des méthodes de filtrages passifs ou actives. Le filtrage passif reste une solution économique mais peu efficace dans certaines conditions.
Harmoniques : origine, effet et solution
Une composante sinusoïdale d’une onde périodique possédant une fréquence qui est multiple entier de la fréquence fondamentale s’appelle harmonique. Mais on peut observer des sous-harmoniques ou des inters harmoniques à des fréquences non multiples entières de la fréquence fondamentale.
Harmoniques de courants et de tensions
Dans la plus part des cas, la présence des harmoniques de courant et de tension sur les réseaux électriques sont dues à l’utilisation de charges polluante (charges non linéaires). Pour cela, il faut différencier entre une charge linéaire et non-linéaire.
Charge linéaire
Une charge est dite “linéaire” si le courant qu’elle absorbe est sinusoïdal lorsqu’elle est alimentée par une tension sinusoïdale. Ce type de récepteur ne génère pas d’harmonique. Ex. : convecteurs, moteurs en régime établi, …etc.
Charge non-linéaire
Une charge est dite “non linéaire” si le courant absorbé n’est pas sinusoïdal lorsqu’elle est alimentée par une tension sinusoïdale. Ce type de récepteur est un générateur d’harmoniques. Généralement, les deux types de charges polluantes sont les charges monophasées et les charges triphasées. Les charges monophasées dont lesquels on trouve, les alimentations commutable marche/arrêt (SMPS : Switched Mode Power Supply), les ordinateurs, les onduleurs, les imprimantes, les photocopieurs, les unités d’alimentation sans interruption (ASI), les équipements médicaux, les lampes à décharge gazeuse à base et haute pression, les ballasts électroniques pour l’éclairage fluorescent, les lampes à basse consommation, les tubes fluorescent. Les charges triphasées constituées de convertisseurs statiques, alternatif-continu qui représentent l’ensemble des redresseurs, continu-continu qui représentent les hacheurs et les alimentations à découpage, continu-alternatif qui représentent les onduleurs de tension et de courant, et alternatif- alternatif qui représentent les convertisseurs de fréquences et les gradateurs, les chargeurs de batteries, les unités ASI, le four à arc utilisé dans la métallurgie, les variateurs de vitesse pour les moteurs asynchrones et synchrones … etc.
Causes et effets des harmoniques
Les courants harmoniques génèrent des perturbations tant au niveau de la distribution qu’au niveau de l’installation. Les causes et les effets sont divers, on trouve :
Problèmes causés par les courants harmoniques:
– surchauffe du neutre,
– surcharge des condensateurs
– surchauffe des transformateurs
– effet de peaux dans les conducteurs
– déclenchement intempestif des coupe-circuits .
Problèmes causés par les tensions harmoniques:
– de bruit lors du passage à zéro
– distorsion de la tension
– au niveau des moteurs à induction .
Mesures de réduction des harmoniques
Les mesures permettant la réduction des courants harmoniques peuvent être classées en trois groupes : les transformateurs d’isolement, les filtres passifs et les filtres actifs. Chaque choix présente ses avantages et ses inconvénients.
Transformateurs d’isolement
Ce transformateur permet l’isolation des harmoniques d’ordre trois lors de leurs confection, dont lequel, les fabricants prennent en considération les effets indésirable de ces courants harmoniques qui passent dans le circuit secondaire des transformateurs connectés en triangle.
Filtres passifs
L’utilisation des circuits électrique RLC (résistance, inductance, capacité) dit filtre passifs était une des solutions traditionnelle pour dévier les courants harmoniques et éliminer les tensions perturbatrices. La capacité (C) crée l’énergie réactive tandis que l’inductance (L) en absorbe. Le filtre passif a pour but principal dans le cas de présence des harmoniques, de diminuer l’impédance du réseau à une fréquence donnée. Les courants perturbateurs à cette fréquence sont alors absorbés par le filtre passif. Le raccordement des éléments capacitifs sur le réseau électrique présente des inconvénients majeurs tels que l’anti-résonnance ou résonnance parallèle qui représente un accroissement important de l’impédance du réseau à certaines fréquences. Selon les chercheurs du domaine de filtrage passif [6], une connaissance très précise des rangs harmoniques engendrés par la charge qui devront être filtrés et des atténuations demandées sont extrêmement nécessaire avant le choix de raccordement des éléments constituant le filtre passif et leur dimensionnement, car plusieurs types de filtres passifs sont utilisés pour différentes dépollutions harmoniques. De plus, le filtre passif peut occasionner une résonnance parallèle importante qui est excitée par les harmoniques présents sur le réseau électrique, ce qui conduit à des surtensions importantes pouvant aller jusqu’aux détériorations des équipements connectés au réseau électrique. Parmi les filtres passifs, on trouve :
– Le filtre barrage (ou inductance anti harmonique),
– Le filtre amortis.
– Le filtre résonnant .
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Table des matières
Introduction générale
Chapitre 1 : État de l’art sur le filtrage actif de puissance et son intégration dans le domaine d’énergies renouvelables
1.1. Introduction
1.2. Harmoniques : origine, effet et solution
1.2.1. Bases mathématiques
1.2.2. Inter et infra harmoniques
1.2.3. Harmoniques de courants et de tensions
1.2.3.1. Charge linéaire
1.2.3.2. Charge non-linéaire
1.2.3.3. Courants et tensions harmoniques
1.2.4. Distorsion harmoniques
1.2.4.1. Taux de distorsion des harmoniques de tension
1.2.4.2. Taux de distorsion des harmoniques de courant
1.2.4.3. Triangle de puissances
1.2.4.4. Facteur de puissance
1.2.4.5. Normes internationales sur la qualité d’énergie
1.2.5. Causes et effets des harmoniques
1.2.6. Mesures de réduction des harmoniques
1.2.6.1. Transformateurs d’isolement
1.2.6.2. Filtres passifs
1.2.6.2.1. Filtres barrages (ou inductance anti harmonique)
1.2.6.2.2. Filtres résonants
1.2.6.2.3. Filtres amortis
1.2.6.3. Filtres actifs
1.2.6.3.1. Filtre de découplage
1.2.6.3.2. Stockage capacitif d’énergie
1.2.6.3.3. Topologies des filtres de puissance
1.2.7. Problématiques des filtres
1.2.8. Technique de modulation
1.2.8.1. Modulation de Largeur d’Impulsion Sinusoïdale (Sine PWM)
1.2.8.1.1. Principe de fonctionnement
1.2.8.2. Hystérésis
1.2.8.2.1. Principe de fonctionnement
1.2.8.3. Modulation de Largeur d’Impulsion vecteur spatial (SVPWM)
1.2.8.3.1. Principe de fonctionnement
1.2.9. Différentes techniques d’extraction des harmoniques
1.2.9.1. Groupe fréquentiel
1.2.9.2. Groupe temporel
1.3. Énergies renouvelables
1.3.1. Énergie de la biomasse
1.3.2. Énergie de la géothermie
1.3.3. Énergie de la marine
1.3.4. Énergie hydraulique
1.3.5. Énergie éolienne
1.3.5.1. Principe de fonctionnement
1.3.5.2. Types d’éoliennes
1.3.5.3. Composants d’une éolienne
1.3.5.4. Puissance d’une éolienne
1.3.5.5. Couple produit par l’éolienne
1.3.5.6. Types de génératrices électriques
1.3.5.6.1. Machines asynchrones
1.3.5.6.2. Machines synchrones
1.3.5.7. Algorithmes de poursuite de point de puissance maximale
1.3.5.8. Connexion des éoliennes
1.3.6. Énergie solaire
1.3.6.1. Cellule photovoltaïque
1.3.6.2. Technologie des cellules photovoltaïques
1.3.6.3. Module et champ photovoltaïque
1.3.6.4. Recherche du point maximum de fonctionnement (MPPT)
1.3.6.4.1. Méthodes indirectes
1.3.6.4.2. Méthodes directes
1.3.6.5. Quelques topologies de connexion des photovoltaïques
1.3.6.6. Autres topologies des systèmes photovoltaïques
1.4. Conclusion
Chapitre 2 : Autoadaptivité du filtre actif
2.1. Introduction
2.2. Description du premier système avec la commande non-linéaire
2.2.1. Filtre actif sans neutre
2.2.2. Modélisation du filtre actif sans neutre
2.2.2.1. Calcul des tensions sur le référentiel synchrone d-q du FA
2.2.2.2. Extraction des références harmoniques et dynamiques du FA
2.2.3. Modélisation du quatrième bras du filtre actif
2.2.4. Implantation du filtre actif à quatre bras
2.2.5. Résultats de simulation
2.3. Description du second système (convertisseur multiniveaux)
2.3.1. Méthode de contrôle du filtre actif PUC à sept niveaux
2.3.2. Résultats de simulation
2.4. Conclusion
Chapitre 3 : Capacité d’adaptation du filtre actif dans le système éolien
3.1. Introduction
3.2. Description du premier système avec la commande indirecte
3.2.1. Modèle aérodynamique de la turbine
3.2.2. Modélisation de la machine synchrone à aimant permanent
3.2.2.1. Mode moteur
3.2.2.2. Mode génératrice
3.2.3. Stratégie d’extraction du MPPT
3.2.4. Stratégie de contrôle de la GSAP
3.2.5. Stratégie de contrôle du filtre actif
3.2.6. Résultats de simulation
3.3. Description du deuxième système avec la commande directe
3.3.1. Stratégie de contrôle du filtre actif
3.3.2. Résultats de simulation
3.4. Conclusion
Chapitre 4 : Rapidité de réponse du filtre actif dans le système photovoltaïque
4.1. Introduction
4.2. Description du premier système avec la commande des puissances p-q
4.2.1. Module photovoltaïque
4.2.1.1. Modèle d’une cellule photovoltaïque
4.2.1.2. Module et champ photovoltaïque
4.2.2. Stratégie d’extraction du MPPT
4.2.3. Modélisation du convertisseur DC-DC (BOOST)
4.2.4. Algorithme de contrôle du filtre actif
4.2.5. Résultats de simulation
4.3. Description du second système avec la commande indirecte dans le repère dq
4.3.1. Stratégie de contrôle du filtre actif
4.3.2. Algorithme de contrôle du filtre actif
4.3.3. Résultats de simulation
4.4. Conclusion
Conclusion générale
