Amélioration de la Qualité de l`Energie Electrique d`une Charge
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Amélioration de la Qualité de l`Energie Electrique d`une Charge
Volume 56, Number 4, 2015 165 Amélioration de la Qualité de l’Energie Electrique d’une Charge Sensible par un DVR- Modélisation et Simulation Tandjaoui Mohammed Nasser, Benachaiba Chellali, Abdelkhalek Othmane, Banoudjafer Cherif Département de la Technologie, Faculté de la Technologie, Université de Béchar, Algérie Abstract – Le problème de la qualité de l’énergie est un occurrence manifesté comme les perturbations de tension, de courant ou de fréquence qui a des problèmes aux charges sensibles et critiques comme les pannes, les pertes financières significatives et peu avoir même des défiances des équipements industriels importants. Alors, la découverte des FACTS est faite pour répondre à la question de la qualité de l’énergie. Parmi ces derniers, le DVR est réservé pour corriger les perturbations de tension. Il est basé sur le principe d’électronique de puissance à cause de son équipement de la conversion d’énergie (VSC), il atténue les défauts de tension par une injection des tensions compensatrices en série avec le système d’alimentation à l’aide d’un transformateur d’injection. Keywords – FACTS, DVR, Qualité d’énergie, Compensateur Série, Mod-Simul. I. INTRODUCTION Les systèmes d'alimentation actuels sont des réseaux complexes, comprenant des grands partis tel que la production, le transport, et la distribution de l'énergie électrique, le souci principal des consommateurs est la qualité de l'énergie à des divers centres de charge à où ils sont situés. La problématique de la qualité de l'électricité concerne tous les acteurs en présence, qu'ils soient gestionnaires de réseaux, utilisateurs de ces réseaux (producteurs ou consommateurs d'électricité), ou intervenants divers (fournisseurs d'électricité ou de services) qu'elles soient des variations de longues durée, ou de courte durée et d'autres perturbations [1]. Leurs conséquences ont pu s'étendre des défauts techniques aux appareils électriques sensibles, ainsi, en termes économiques, ils présentent des pertes financières dues à l'arrêt de production au niveau de l'industrie. Le problème de la qualité de l’énergie électrique est classé en deux groupes de perturbations: perturbations au niveau de la fondamentale et perturbations harmoniques. Les perturbations au niveau de fondamental affectent l’amplitude des grandeurs d’intérêt (tension ou courant). Ce sont par exemple creux de tension, les coupures, les surtensions et les déséquilibres. Les perturbations dites « harmoniques » sont caractérisées par l’apparition de nouvelles composantes à des fréquences multiples de la fréquence fondamentale. En s’ajoutant à la composante fondamentale, elles provoquent donc la distorsion des formes d’onde des grandeurs d’intérêt [2]. Le problème de la qualité de l’énergie est un occurrence manifesté comme les perturbations de tension, de courant ou de fréquence qui a des problèmes aux charges sensibles et critiques comme les pannes, les pertes financières significatives et peu avoir même des défiances des équipements industriels importants[4]. Phénomènes qualité de l'énergie comprend toutes les situations possibles dans lesquelles la forme d'onde de la tension d'alimentation (qualité de la tension) ou courant de charge (qualité du courant) s'écartent de la forme d’onde sinusoïdale à la fréquence nominale avec une amplitude correspondant à la valeur efficace pour les trois phases d'un système en triphasé [3]. Alors, la découverte des FACTS est faite pour répondre à ces problématiques. Les FACTSs sont des systèmes Flexible de Transmission en Courant Alternatif, comprenant des équipements de protection des biens électriquement sensibles contre les desserrages de l'alimentation demandée [4, 11]. Le développement rapide de l'électronique de puissance a eu un effet considérable dans l'amélioration des conditions de fonctionnement des réseaux électriques en performant le contrôle de leurs paramètres par l'introduction de dispositifs de contrôle à base des composants d'électronique de puissance très avancés (GTO, IGBT) connus sous l'acronyme FACTS: Flexible Alternatif Current Transmission Systems [6, 11]. En ce papier, en visé seulement les perturbations en tension; qui sont provoquées principalement par des pannes électriques ou par l'excitation des grandes charges qui exigent au démarrage un appel du courant © 2015 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved 166 ACTA ELECTROTEHNICA très important. Dans cette circonstance, une nouvelle technologie qui a appelé la commande de puissance à émerger, est applicable aux systèmes de distribution pour augmenter la fiabilité et améliorer la qualité de l'alimentation d'énergie. Actuellement, un éventail de contrôleurs très flexibles qui profite des composants nouvellement disponibles de l'électronique de puissance est le DVR (en anglais : Dynamic Voltage Restorer = en français : Restaurateur Dynamique de la Tension) qui est un dispositif le plus efficace et il doit être installé aux endroits appropriés. Le DVR est un équipement de qualité de puissance, qui peut protéger les charges sensibles contre la majeure partie des perturbations, c.-à-d., les anomalies de tension liées aux défauts de système à distance, il compense ces excursions de tension par une injection des tensions manques en série et synchronisées avec la tension d’alimentation par l’intermédiaire d’un transformateur d’accouplement. Le DVR est basé sur le principe de convertisseur de source de tension VSC à MLI qui reçoit son énergie via le système indispensable de stockage d’énergie, le rajout des filtres est nécessaire pour filtrer les harmoniques qui sont produites par les commutations d’interrupteurs de VSC. II. QUALITÉ DE L’ÉNERGIE ÉLECTRIQUE Power Quality. Pourquoi utiliser l’expression anglaise " Power Quality " ? On rencontre un nombre de traductions françaises de cette expression mais nulle ne fait encore l’unanimité : qualité de l’alimentation, qualité de la tension, qualité de l’onde, qualité de la fourniture, qualité du produit, qualité de l’énergie électrique, qualité de l’électricité,….il est remarquer que la traduction littérale "qualité de la puissance" n’est jamais utilisé, sans doute perce que l’expression originale " Power Quality" n’a pas beaucoup de sens [5]. Le tableau I, résume les perturbations les plus courantes dans le domaine d’électrotechnique affectant la qualité de l’énergie électrique (Power Quality) avec leurs origines, ainsi que les formes d’onde représentative [10]. III. RESTAURATEUR TENSION (DVR) DYNAMIQUE DE Le DVR est un dispositif de la qualité de l’énergie (figure 1) qui possède un circuit de commande pour contrôler et surveiller la tension au point d’accouplement commun PCC, et un système de stockage d'énergie ayant des capacités maximale pour injecter des tensions compensatrices à travers un transformateur d'injection qui relié cet dispositif en série avec le réseau. Le DVR peut avoir une excellente exécution dynamique et capable d’une protection critique d’une charge sensible contre les différentes perturbations de tension. Une meilleure compréhension de ce dispositif est importante pour atténuer ces problèmes de la qualité de l’énergie, ceci nous permettrait de nous servir d'une meilleure manière des fonctions de tels dispositifs avec Tableau 1: Les perturbations électriques les plus courantes dans les réseaux de distribution 167 Volume 56, Number 4, 2015 des techniques efficaces de commande [8]. Le DVR est un dispositif qui injecte une tension absente et dynamiquement commandée Vinj(t) en série dans le système de distribution qui contient des charges que l’on veut protéger contre les défauts néfastes influent la tension de charges Vch(t), comme les creux de tension et les surtensions qui sont invisibles par les charges. Quand le DVR remarqué une déformation au niveau de la tension (Figure 1(a)), le système de contrôle fait une comparaison entre la tension nominale et la tension perturbée afin d'obtenir une tension appropriée (Figure 1(b)) à la tension perdue qui sera injectée par le DVR pour maintenir la stabilité de la tension de charge (Figure 1(c)), cette différence de tension exige une certaine quantité de la puissance active et réactive de DVR [7] [8]. la tension perturbée, le vecteur réel de la tension de source Vs est déplacé à Vs_défaut Pour reconstituer le vecteur de tension de charge Vc, un vecteur de tension injecté Vinj est fourni par le DVR. IV. MODÉLISATION DE DVR La modélisation d’un DVR exige une configuration mathématique équivalente pour mesurer le défaut de tension dans le système de distribution, Modélisation du flux de puissance Afin d'opérer à l'état d’équilibre, le DVR injecte une tension sur la quadrature de la fin de la ligne de tension pour régler le flux de puissance actif. Cependant, le DVR est un contrôleur bien plus souple parce qu'il ne tire pas la puissance réactive du système à C.A.; il a ses propres dispositions de puissance réactive sous forme de condensateur de C.C. Cette caractéristique rend le DVR capable de régler le flux de puissance actif et réactif dans des limites imposées par son estimation, la figure 3 représente un schéma typique d’un DVR et son circuit équivalent [6]. Le modèle de flux de puissance de DVR est basé sur le concept d'une source de tension reliée en série. VDVR = VDVR (cos δ + j sin δ Fig. 1. Schéma de principe d’un DVR ) (1) L’amplitude de tension et l’angle de phase δ du modèle de DVR sont ajustés en utilisant la méthode numérique pour satisfaire un flux de puissance actif et réactif indiqué à travers le DVR. Les limites maximum et minimum existeront pour l’amplitude de tension |VDVR|, ce qui est une fonction de l'estimation de condensateur de DVR. D'autre part, l'angle de phase de tension δ peut prendre n'importe quelle valeur entre 0 et 2π radians [6]. Fig. 2. Diagramme vectoriel de la compensation de DVR Fig. 3. (a) Schéma typique d’un DVR, et (b) son circuit équivalent La stratégie de commutation de VSC est basée sur la technique de la commande MLI qui offre la simplicité et bonne réponse. La compensation des anomalies de tension peut être limitée par un certain nombre de facteurs, y compris l'estimation de puissance active de DVR, les conditions de charge, et les types de défaut. La stratégie de commande devrait un pouvoir de compenser n'importe quelles perturbations de tension. La figure 2 montre un diagramme vectoriel pour compenser les défauts en tension [9]. Au début, le vecteur de tension de charge Vc est le même que le vecteur Vspre-défaut, et est supposé pour être 1.0p.u. si Quand la tension du système est trouble, le DVR injecte immédiatement une tension VDVR en série par l’intermédiaire d’un transformateur d'injection de sorte que l’amplitude désirée de la tension de charge Vch doit être maintenue. La tension injectée par le DVR peut être écrite: VDVR =Vch + Z ch I ch −Vs (2) Le courant de charge Ich est donné par : P + j * Qch I ch = ch Vch (3) ACTA ELECTROTEHNICA 168 IV.1. Identification des tensions perturbatrices La méthode d’identification sert à calculer les tensions perturbatrices qui seront injectées ensuite par l’onduleur, en opposition de phase, pour dépolluer la tension aux bornes de la charge à protéger. Cette méthode est basée dans le calcul sur des repères simplifiés comme le repère de Park, c.-à-d., le passage de référentiel abc au référentiel dq de Park. Cette méthode d’identification offre l’avantage de compenser avec simplicité, précision, rapidité et faible retard de rétablissement toutes les perturbations en tension, et nécessite une bonne connaissance du réseau électrique qui est basée sur le calcul des puissances instantanées dans le domaine temporel. Le modèle de diviseur de tension montré dans la figure 4, peut être employé pour mesurer les tensions perturbées sur la prétention que le courant de défaut Id est beaucoup plus grand que le courant de charge Ic pendant les défauts [6]. convertisseur se comporte à l’entrée comme un générateur à caractère de source de tension, et en sortie comme un récepteur de source de courant en supposant que le générateur et le récepteur sont décrits par des systèmes d’équations différentielles linéaires. L’extension au cas où ces équations seraient non linéaires ne pose pas des problèmes à priori. Mais évidemment dans ce cas, la résolution de ces équations pour suivre l’évolution temporelle des variables nécessite le recours à une intégration numérique [6]. la transformation linéaire, Tαβγ, est considérée comme suit : xa xb = Tabγ xc − 1/ 2 1 xa xb = 2 0 3/2 3 xc 1 / 2 1 / 2 − 1/ 2 xa − 3 / 2 xb 1 / 2 xc (8) La transformation de Tαβγ a une propriété intéressante additionnelle, qui devient claire quand nous tenons compte de la condition: X a + X b + X c = 0 ⇒ xy = 0 (9) Chaque fois que la contrainte d’équation (9) est significative pour un système tridimensionnel, la transformation du même rang Tαβγ nous permet de décrire le même système dans un espace bidimensionnel sans n'importe quelle perte d'information [7]. Nous pouvons donc définir la prétendue de la transformation de αβ comme suit : xa xb = Tab Fig. 4. Modèle d’un système ayant un DVR pour mesurer le défaut de tension PCC est le point d’accouplement de défaut et de la charge, où la tension et l'angle de phase peuvent être obtenus instantanément. Vs est la tension d’alimentation de la source, Zd et Zs sont des impédances respectivement de défaut et de la source [6]. Zd (4) Vd = E Zs + Zd ( ) X X + Xd ∆d = arg V d = arctan d − arctan s R d Rs + Rd (5) Si Ps et Pch sont respectivement la puissance d'entrée de la source et la puissance de charge, et pareillement, si Qs et Qch sont respectivement la puissance réactive d'entrée de la source et de charge [3], alors: Pdvr = PS − Pch = 3VS I cos (ϕ ) − ∑VCi I i cos (ϕ − α + d i ) (6) Qdvr = QS − Qch = 3VS I sin (ϕ ) − ∑ VCi I i sin (ϕ − α + d i ) (7) i i Où i=1, 2, 3 est une opération minimum de puissance IV.2. Modélisation de VSC Pour écrire les équations d’évolution de modélisation de VSC on va considérer que ce xa xb = 2 1 3 0 xc − 1/ 2 Et son inverse est: 1 xα xα xβ = T T xβ = 2 − 1 / 2 αβγ xc o 3 − 1 / 2 3/2 − 1/ 2 − 3 / 2 0 3 / 2 − 3 / 2 xa xb xc (10) xβ T xβ (11) xβ = Tαβγ xβ Il est très utile de visualiser l'effet de l'application de Tαβ à notre système triphasé qui présente trois signaux de tension sinusoïdaux et symétriques: e a = U M sin (ω t ) (12) eb = U M sin (ω t − 2π / 3) e c = U M sin (ω t + 2π / 3) Il est facile de vérifier cela: eα = 3 U M sin(ωt ), 2 eβ = 3 U M cos(ωt ), 2 (13) La formulation mathématique de la transformation de Park est donnée par la matrice suivante: sin θ xα xd xα cos θ (14) xq = Tdq xβ = − sin θ cos θ xβ D' où, θ = ωt. Alors, la matrice inverse de (Tdq)-1 se trouve comme suit: xd cos q − sin q xd (15) xα T xβ = Tdq xq = sin q cos q xq 169 Volume 56, Number 4, 2015 L’électronique de régulation et de commande détermine, à partir des consignes imposées de l’extérieur et des mesures prélevées sur le générateur et le récepteur, la séquence de conduction et de blocage des différents interrupteurs et élabore les signaux logiques nécessaires à leur commande en fonction du type de convertisseur utilisé. La commande MLI consiste à choisir une fréquence de commutation pour les interrupteurs, et détermine les intervalles de conduction de ces interrupteurs pour permettre de régler de manière indépendante les valeurs moyennes de chacune des tensions sur chaque période de commutation. IV.3. Modélisation de filtre Avant de placer le filtre, il est nécessaire de modéliser le réseau électrique afin de pouvoir définir les interactions entre le filtre et le réseau de distribution électrique basse tension. On rajoute une inductance en série avec le réseau afin de protéger l’onduleur si un court-circuit se produit au niveau de la connexion au réseau [6]. C MAX = Q K 2 − 1 E02 .W0 K 2 (19) V. RESULTATS DES SIMULATIONS Afin de confirmer l’importance de la compensation des perturbations au niveau de tension qui influent de façon significatif sur la qualité de l’énergie électrique des charges sensibles, le logiciel MATLAB dont l’environnement SIMULINK ouvre un grand portail dans le domaine d’exécution de plusieurs essais avec la simulation d’un DVR incorporé dans un système triphasé de basse tension d’amplitude de 220√3 comme valeur efficace, et de fréquence de 50Hz. Ce système alimente une charge inductif RL (R=40Ω, L=1e-5H). Fig. 5. Représentation schématique d’un filtre LC L’inductance du filtre qui est calculée par la relation entre les valeurs d’inductance et de condensateur constituant ce filtre dépend de la pulsation de coupure Wc tel que: 1 (16) LC = 2 WC Afin de limiter les effets des résonances, on place une résistance d’amortissement en série avec le condensateur, ainsi de maximiser la qualité du courant tout en respectant les contraintes suivantes: La puissance dissipée par la résistance doit être négligeable inférieure à 1W, Le facteur de puissance de l’ensemble onduleur et filtre doit être supérieur à 0,93 La puissance capacitive à absorber par l’onduleur à une pulsation W donnée sera [6]: 1 (17) Q = EW2 .C.W 〈1 − 2 ) K Tel que, K est le rapport entre la pulsation W et la pulsation de coupure du filtre Wc: W (18) K= C W Ainsi, EW représente la valeur efficace de l’harmonique de tension correspondant à W. Alors, à partir d’équation (17), en peut obtenir la valeur maximum de la capacité qui sera [6]: Fig. 6. Modèle de simulation d’un DVR V.1. Creux de tension et coupure brève La Figure 7, présente un creux et coupure brèves de la tension d’alimentation. A l’instant t=0.02s l’amplitude de la tension de source Vsource est réduite de 35% par rapport à la tension fondamentale jusqu’à l’instant t=0.08s, et dés l’instant t=0.12s notre système provoqué par une coupure de 0.02s, mais la tension de la charge est gardé toujours sont propre amplitude Vcharge, ce qui montre le pouvoir de compensation de DVR, qui injecte une tension en série est synchronisé Vdvr avec celle manquante par la source. V.2. Surtension Analyse de la figure 8, déduit que dés l’instant t=0.07s, le DVR commence à compenser et corriger parfaitement les surtensions produits sur la tension d’alimentation Vsource, sur le point de raccordement jusqu’à l’instant t=0.14s, en injectant à travers le transformateur des tensions compensatrices Vdvr qui sont bien synchronisées et en opposition de phase avec la tension de source. Alors, cet essai indique que la charge est bien protégée contre les surtensions et gardée toujours sont propre forme d’amplitude Vcharge. ACTA ELECTROTEHNICA 170 Vsource 500 0 -500 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.12 0.1 Temps(s) 0.14 0.16 0.18 0.2 Vdvr 500 0 -500 Vcharge 500 0 -500 Fig. 7. Creux et interruption de tension sur deux phases d’un système triphasé Vsource 1000 0 -1000 REFERENCES 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 1. Vdvr 500 0 -500 Il peut traiter tous les niveaux d'ombre de sévérité de défaut grave et le plus mauvais. D’après la modélisation de ce compensateur, en constate qu’il a un pouvoir de compenser des différentes anomalies de tension grâce a son dispositif basé sur l’électronique de puissance. Il injecte la quantité manquante ou compensatrice en série et synchronisé avec la tension de la source à l’aide d’un transformateur d’injection, ou d’accouplement qui relié le DVR en série avec le réseau d’alimentation. Dans le cas, où le défaut est présenté sous forme d’une diminution, le DVR injecte un composant positif égal à la tension de la source en chacune phases, qui ont lieu dans la phase avec la tension d'alimentation pour le corriger. Et quand, les perturbations présentent des élévations de la tension, le DVR injecte une tension négative égale à la tension de la source en chacune des trois phases, qui sont en opposition de phase avec la tension d'alimentation. D'après d’autres essais, on constate aussi que le DVR est capable de compenser n'importe quelle anomalie de la tension d'alimentation afin de maintenir la tension de charge équilibrée et constante à la valeur nominale. 2. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 3. Vcharge 1000 4. 0 -1000 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 Temps(s) 0.14 0.16 0.18 0.2 Fig. 8. Surtensions biphasées VI. CONCLUSION Finalement, la structure complète du compensateur actif série (DVR) a pu être simulée et testée sous l’environnement Matlab-Simulink, nous avons présenté les résultats de simulation pour certaines perturbations les plus courantes dans les réseaux de basse tension (creux de tension, coupures brèves et les surtensions). Les résultats de simulation ont démontré les possibilités de DVR pour compenser ces différentes anomalies de tension, On l'a constaté que son modèle est bien exécuté avec une charge linéaire. Toutefois, à partir des résultats obtenus nous affirmons que grâce au DVR, la charge est gardée toujours la même valeur désirée, l'utilisation de DVR améliore la qualité de l'énergie électrique assurée à la charge. Le DVR manipule des chutes de tension et les surtensions de façon efficace. Donc, Le DVR a une excellente exécution pour protéger les charges critiques. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. A. Robert, “qualité de l'électricité dans le marche libéralise”, Séminaire organisé par le Professeur Jean-Louis LILIEN, Université de Liège, 8 décembre 2004, V. Ignatova, P. Granjon, S. Bacha, “Analyse de la qualité de l'énergie électrique par la transformation du vecteur d’espace ”, 11ème Conférence Nationale EPF, Grenoble, France, 2006 C. Benachaiba, “ Qualité de l’énergie électrique: Indices et FACTS ”, 4ème Conférence sur le Génie Electrique, Université de Bechar, Algérie, 03-04 Novembre2010. M. N. Tandjaoui, C. Benachaiba, O. 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