L`influence des paramètres du réseau électrique sur le filtrage des

120
ACTA ELECTROTEHNICA
L’influence des paramètres du réseau
électrique sur le filtrage des harmoniques
R. DEHINI, B. FERDI and S. DIB
Résumé- L'électronique de puissance a donné naissance à de nombreuses nouvelles applications, offrant aux clients un confort, une
flexibilité et une bonne efficacité. Mais, sa prolifération au cours de ces dernières décennies est devenue préoccupante et se trouve à
l'origine de plusieurs défauts néfastes. Pour pallier à ces problèmes, les filtres passifs sont proposés. Ces derniers sont constitués de
un ou deux groupes d’éléments LC accordés aux basses fréquences. Dans ce travail, nous avons attribué un intérêt particulier au
filtre passif qui a une remarquable simplicité d’implantation. Dans le but de faire une étude objective et mettre en évidence
l’importance du filtre passif du point de vue performance, nous avons examiné l’efficacité de filtrage du filtre passif sous l’effet de la
variation des paramètres des réseaux tels que la puissance de court-circuit, la charge, la fréquence. Les résultats obtenus par la
simulation ont démontré que le filtre passif a des performances étonnants si le réseau est de faible ou moyenne puissance et avec des
paramètres constants.
Mots clés- filtre passif, puissance de court-circuit, Impédance du réseau,
1.
INTRODUCTION
Les filtres passifs parallèles et séries ont été mis en
application depuis le milieu des années 1920,
principalement pour compenser les harmoniques créés
par les charges, fournir la puissance réactive demandée,
et augmenter la capacité de transport des réseaux [1]. Les
filtres passifs les plus utilisés sont les filtres parallèles du
type R-L-C passe-bande syntonisés à des fréquences
fixes coïncidentes avec les rangs des harmoniques
dominants (5éme, 7éme, 11éme, etc.), ou bien du type
R-L-C passe-haut.
Malgré le développement et la disponibilité des
filtres actifs pour la suppression des harmoniques dans le
réseau électrique, les filtres passifs de diverses structures
sont toujours les dispositifs principaux installés dans les
réseaux électriques pour réduire la déformation
harmonique, principalement en raison de leurs faibles
coûts, haute efficacité et leurs facilités d’installation et
d’utilisation [2]. Cependant, ils présentent également
plusieurs inconvénients comme la résonance parallèle
avec l’inductance de la source et le vieillissement des
composants passifs (L, C et R).
La technologie des filtres passifs est bien maitrisée
et ancienne tandis que celle des filtres actifs est
relativement récente et n’est pas entièrement achevée
par conséquent, les filtres passifs ont été
traditionnellement utilisés pour absorber des
harmoniques produits par de grandes charges
industrielles et dans les réseaux haute tension à cause de
leurs flexibilité en terme de limitation en puissance [3].
Notre travail présente un aperçu général sur le filtre
passif qui est utilisé pour la compensation des courants
harmoniques. On va mettre en évidence l’influence de la

puissance de court-circuit du réseau sur les harmoniques
générés par la charge non-linéaire et par conséquent sur
L
Source
charge
c
(a)
Source
charge
L
c
(b)
L
Source
charge
c
L
c
(c)
Fig. 1. Classification des filtres, (a) Série, (b) Parallèle,
(c) Série-parallèle.
Manuscript received February 15, 2013.
© 2013 – Mediamira Science Publisher. All rights reserved.
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Volume 54, Number 2, 2013
le filtre passif. On va démontrer l’efficacité du filtre
passif dans un réseau faible. On va aussi montrer
l’influence énorme de la variation des paramètres du
réseau comme la fréquence, la puissance de court-circuit
et la variation de la charge sur le bon fonctionnement du
filtre passif.
CLASSIFICATION DES FILTRES PASSIFS
II est possible de classifier les filtres passifs selon
leur mode de connexion.
Ils peuvent se diviser en trois familles (Fig. 1), soit
les filtres parallèles, les filtres séries ou la combinaison
des deux. Selon le type choisi, les harmoniques peuvent
être (a) littéralement bloqués par une impédance série
élevée entre le convertisseur et le réseau, (b) déviés par
une faible impédance en parallèle ou (c) une
combinaison des deux.
SOURCE DE COURANT HARMONIQUE
Les convertisseurs à thyristors ou à diodes avec une
bobine de lissage suffisamment grande du coté continu
et une charge fortement inductive, peuvent être
modélisés comme sources de courant harmoniques en
parallèle avec une charge linéaire équivalente (Fig. 2).
Les caractéristiques des courants harmoniques dans ce
cas dépendent moins du côté alternatif. Les filtres
RESULTATS DE SIMULATION ET
DISCUSSIONS
Afin de faire un travail objectif et déterminer les
valeurs adéquates de la charge et de la puissance du
court-circuit du réseau afin d’étudier le filtrage passif
des courants harmoniques générés par une charge non
linéaire qui est dans notre cas un redresseur à diodes.
Nous allons premièrement étudier l’influence de la
puissance de court-circuit du réseau sur le comportement
de la charge.
4.1. Influence de la puissance de court-circuit du
réseau électrique sur la charge non-linéaire
Un pont à diodes triphasé alimente une charge de
puissance nominale constante (Fig. 2.a), on augmente le
rapport de puissance SCC/SN et on remarque la variation
des paramètres du réseau. Les résultats sont représentés
par les figures suivantes :
SCC : puissance de court-circuit du réseau électrique
au point de raccordement (PCC).
SN : puissance nominale de la charge
(SN = 80kVA).
35
THDv et THDi en %
30
Zs
3-phase
AC
supply
RL
LL
Réseau
Charge non-linéaire
25
20
THDv
THDi
15
10
5
0
(a)
1
2
10
3
10
10
Scc/Sn
4
10
5
6
10
10
Fig. 3. THDV et THDI en fonction de SCC/SN.
D’après la Figure (4) on remarque que la puissance
active de la charge augmente avec l’augmentation du
4
Charge non-linéaire
Réseau
(b)
Puissance Active ( W )
3.
4.
2.8
x 10
2.6
2.4
2.2
2
60
2
Amplitude ( A )
10
6
10
Scc/Sn
40
20
0
-20
-40
-60
0.1
4
10
0.11
0.12
0.13
0.14
0.15
Temps ( S )
0.16
0.17
0.18
(c)
Fig. 2. Source de courant harmonique ; (a) Charge non-linéaire,
(b) Modèle équivalent, (c) Courant de la charge.
Puissance Réactive ( Var )
2.
parallèles passifs et actifs sont efficaces pour la
compensation de telles charges non linéaires [4].
6000
4000
2000
0
2
4
10
10
6
10
Scc/Sn
Fig. 4. Puissance active et réactive en fonction de SCC/SN.
122
ACTA ELECTROTEHNICA
4.2. La charge sans filtre passif
4.2.1. La tension et le courant de la charge
Amplitude ( V )
Tension au point de raccordement (PCC)
200
0
-200
6
0.1
0.11
0.12
4
0.13
0.14
Temps ( S )
0.15
0.16
(a)
2
V1(50Hz)=300.1 V THD=13.18%
10
0
8
2
4
10
6
10
10
Vh / V1 (%)
Chute deTension en %
rapport SCC/SN par contre la puissance réactive diminue.
On peut dire qu’à une puissance de court-circuit du
réseau électrique suffisamment grande, le pont
redresseur à diode ne consomme pratiquement aucune
puissance réactive.
Figure (5) montre une amélioration de la chute de
tension avec l’augmentation du rapport SCC/SN. A
SCC/SN = 2000 il y a plus de chute de tension.
Scc/Sn
Fig. 5. Chute de tension en fonction de SCC/SN.
Figure (6) montre une amélioration de facteur de
déplacement avec l’augmentation du rapport SCC/SN. A
SCC/SN = 2000 le facteur de déplacement peut être
considéré égale à un.
6
4
2
0
0
10
20
30
40
50
1.04
Fig. 7. Tension de la charge sans F.P.
(a) Tension, (b) Décomposition spectrale.
1.02
1
0.98
Courant de la charge
2
4
10
10
200
6
10
Scc/Sn
Fig. 6. Facteur de déplacement en fonction de SCC/SN.
On voit clairement que selon la Figure (3), le
rapport Scc / SN a une grande influence sur le THDv et le
THDi, donc, c’est absurde de ne pas le prendre en
considération pour définir les limites d’injection des
harmoniques dans le réseau électrique et aussi pour la
conception des filtres passifs ou actifs. Cette remarque a
été prise en considération par la norme IEEE 519-1992,
C’est pour cela que cette dernière a défini 5 intervalles
pour lesquelles elle a imposé des limites de courant
harmoniques injectés dans le réseau électrique par des
charges non linéaires.
Après avoir vu l’importance du rapport Ssc / Sn sur
le THDV et THDI, on a décidé d’étudier la fiabilité et
l’efficacité du filtre passif selon un cas sélectionnés à
partir des intervalles précisés par la norme IEEE
519-1992. Ce cas est le filtrage des harmoniques dans un
réseau faible dont le rapport Ssc / Sn appartient au 1er
intervalle de la norme IEEE 519-1992 (Ssc / Sn =10).
Amplitude ( A )
0.96
0
-200
0.1
0.11
0.12
0.13
0.14
Temps ( S )
0.15
(a)
I1(50Hz)=156.5 A THD=21.04%
20
15
Ih / I1 (%)
Facteur de déplacement
(b)
10
5
0
0
10
20
30
40
50
(b)
Fig. 8. Courant de la charge sans F.P
(a) Courant, (b) Décomposition spectrale.
0.16
123
Volume 54, Number 2, 2013
4.2.2. L’impédance du réseau


Facteur de déplacement = 0.9783
VRMS = 220.41 V
4.3.2. La tension et le courant coté réseau
Amplitude ( V )
Tension au point de raccordement (PCC)
200
0
-200
0.1
0.11
Fig. 9. Impédance du réseau sans F.P.
Notre but est la compensation de la tension
(jusqu’à 220 V) et un filtrage avec une marge de sécurité
importante (≈50%). Dans tout notre travail on utilise la
norme IEEE 519-1992.
Le filtre proposé pour le filtrage des harmoniques
et la compensation de la tension est constitué de 5 filtres
élémentaires suivants :
Filtre passif résonant (h5) Q=6000VAR facteur de
qualité =100.
Filtre passif résonant (h7) Q=2000VAR facteur de
qualité =100.
Filtre passif résonant (h11) Q=1500VAR facteur de
qualité =100.
Filtre passif résonant (h13) Q=1400VAR facteur de
qualité =100.
Filtre amorti d’ordre 2 (h17) Q=9200VAR facteur de
qualité =70.
4.3.1. Puissances et facteur de déplacement de la
charge


Puissance active fondamentale d’une phase
P = 26520 W
Puissance réactive fondamentale d’une phase
Q = -5621 VAR
0.16
V1(50Hz)=311.7 V THD=2.16%
1
Vh / V1 (%)
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
10
20
30
40
50
(b)
Fig. 10. Tension coté réseau. (a) Tension, (b) Décomposition
spectrale.
4.3.3. L’impédance du réseau avec le filtre passif
Impédence du réseau avec et sans filtre
40
Impédence (Ohm)
4.3. La charge avec filtre passif
0.15
(a)
4.2.3. Puissances et facteur de déplacement de la
charge
 Puissance active fondamentale d’une phase
P = 23480 W
 Puissance reactive fondamentale d’une phase
Q = 4746 VAR
 Facteur de déplacement = 0.9802
 VRMS = 212.20 V
On voit clairement que le courant et la tension
dépassent largement les limites imposées par le standard
IEEE std 519 (THDV < 5% et THDi < 5%).
La consommation de l’énergie réactive est
relativement importante et elle est due à la distorsion
importante de la tension (si la tension est idéale le pont à
diodes théoriquement ne consomme pas d’énergie
réactive).une chute de tension importante malgré qu’elle
n’a pas dépassée -5%.Un facteur de déplacement trés
acceptable (Fd > 0.98). Impédance du réseau
relativement élevée.
0.12
0.13 0.14
Temps ( S )
Sans filtre
Avec filtre
30
20
10
0
0
500
1000
1500
Fréquence (Hz)
2000
2500
Fig. 11. Impédance du réseau avec F.P.
Pour satisfaire la norme IEEE std 519-1992 avec
une marge importante ( ≈ 50%) et augmenter la tension
de phase à 220 V avec un facteur de déplacement > 0.9
(pas trop d’énergie réactive fondamentale fournie par le
filtre) on était obligé d’utiliser 4 filtres passifs résonants
et un filtre passif passe haut.
La puissance active consommée par la charge est
augmentée de 12.92%, ceci est du à l’augmentation de la
tension (212.20 V à 220.41 V).
Le filtre à fourni une puissance réactive en excès de
5621 VAR par phase.
Le facteur de déplacement a légèrement diminué
malgré que la puissance active consommée ait augmenté
de 12.92% (de 0.9802 à 0.9783).
Des pics de l’antirésonance importants qui peuvent
présenter un danger pour le réseau, si des harmoniques
se trouvent avec les mêmes fréquences (amplification de
tension qui dépassent 10 fois la tension harmonique
concernée).
Le filtre proposé (composé de 5 filtres) n’est pas le
seul filtre qui peut atteindre l’objectif de filtrage, on a
124
ACTA ELECTROTEHNICA
4.4. Etude de l’influence de la charge et les
paramètres du réseau sur le filtre passif
Aprés avoir proposé un filtre passif qui satisfait
largement le standard IEEE std 519-1992 on va étudier
l’influence du changement des paramètres du réseau et la
variation de la charge sur l’efficacité de fonctionnement
de ce filtre.
4.4.1. Variation de la charge
THDv ( % )
2
1
0
20
40
60
80
Variation de la charge ( % )
THDi et THDv coté réseau
8
THDv
THDi
7
6
5
4
3
2
1
49
49.5
100
Fig. 12. THDv coté réseau en fonction de variation de la charge.
THDi coté réseau
51
THDv coté réseau
2.3
Plus (+)
Moins (-)
2.25
1.5
Plus (+)
Moins (-)
1
THDv ( % )
THDi ( % )
50.5
4.4.3. Variation de la puissance de court-circuit du
réseau
2
0.5
2.2
2.15
2.1
2.05
0
20
40
60
80
Variation de la charge ( % )
100
Fig. 13. THDI coté réseau en fonction de variation de la charge.
La variation de la charge a une influence sur le
fonctionnement du filtre passif, cette influence peut être
non négligeable si on ne prend pas une marge de sécurité
adéquate durant la conception du filtre passive.
Malgré que nous avons varié la charge par ±100% ;
le THDV et le THDi restent dans les normes (THDV <
5% et THDi < 5%), parcequ’on a pris une marge de
sécurite importante pendant la conception du filtre passif
(≈ 50%).
Avec l’augmentation de la charge, le THDV
augmente linéairement avec une valeur considérable (de
2.16% à 3.11%) par contre le THDi diminue légerment
(de 1.94% à 1.88%).
Avec la diminution de la charge, le THDV diminue
presque linéairement et le THDi reste presque constant
0
20
40
60
80
Variation de la puissance de CC ( % )
100
Fig. 15. Le THDv en fonction de variation de la puissance de
court-circuit du réseau.
THDi coté réseau
4
Plus (+)
Moins (-)
3.5
3
THDi ( % )
0
50
Fréquence ( Hz )
La variation de la fréquence du réseau influe
énormément sur le comportement du filtre passif. Cette
influence peut être critique ou non selon la conception de
notre filtre passif (marge de sécurité) et la norme de
tolérance de la fréquence utilisée (±1% ou ±2%).
Puisque notre filtre passif a une marge importante
de sécurité (≈50%), son fonctionnement reste valable
pour la tolérance de fréquence la plus utilisée ±1%
(49.5 Hz à 50.5 Hz). Le THDV et le THDi augmente
avec la variation de la fréquence du réseau.
Plus (+)
Moins (-)
3
0
4.4.2. Variation de la fréquence du réseau
Fig. 14. Le THDv et le THDI en fonction de variation de la fréquence
du réseau.
THDv coté réseau
4
jusqu’à 50% aprés on remarque une décroissance non
linéaire rapide.
THDi et THDv ( % )
plusieurs choix selon la tension à atteindre, la puissance
réactive totale fournie acceptable, le nombre maximum
de filtres à utiliser, le facteur de qualité des filtres
utilisés, la contribution de chaque filtre à la génération
de la puissance réactive, les contraintes de
l’antirésonance, la marge de sécurité de filtrage et le cout
total permit.
2.5
2
1.5
1
0.5
0
20
40
60
80
Variation de la puissance de CC ( % )
100
Fig. 16. Le THDI en fonction de variation de la puissance de
court-circuit du réseau.
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Le filtre passif est sensible à l’augmentation ou la
diminution de la puissance de court-circuit.
En augmentant la puissance de court-circuit jusqu'à
100%, on remarque qu’il ya une petite amélioration du
THDV et une dégradation importante du THDi sans
dépasser la norme IEEE std 519.
La diminution de la puissance de court-circuit
augmente le THDV et diminue le THDi.
performance du filtre passif. Les résultats obtenu,
donnent de très bonnes raisons de dire que le filtre passif
est pratiquement utilisable pour le filtrage dans les
réseaux faibles ou moyennes puissance de court-circuit
et avec des paramètres de réseau qui restent presque
constants durant le fonctionnement de ce dispositif.
5.
1.
CONCLUSION
Un aperçu général sur le filtre passif a été présenté
et qui est utilisé pour la compensation des courants
harmoniques. On a mis l’accent sur l’influence des
paramètres du réseau électrique tel que la puissance de
court-circuit du réseau sur le filtrage des harmoniques
engendrés par la charge non-linéaire. Le rendement du
filtre passif dans les réseaux à faible puissance a été
justifié. Comme On a révélé l’influence énorme de la
variation de la fréquence et de la charge sur la
RÉFÉRENCES
2.
3.
4.
N.H. Mendalek, « Compensation active dans un réseau
triphasé », thèse de l’École De Technologie Superieure,
Unversité Du Québec, montréal, avril 1997.
J.R. Macedo Jr., J.W. Resende, M.I. Samesima, « Shunt tuned
filter on the LV side of distribution systems: design and
performance », in: 11th International Conference on Harmonics
and Quality of Power, September 12–15, 2004, pp. 94–99.
L.S. Czarnecki, H.L. Ginn, « Effects of damping on the
performance of resonant harmonic filters », IEEE Transactions
on power delivery, VOL. 19, NO. 2, APRIL 2004.
Fang Z. Peng, « Harmonic Sources and Filtering Approaches »,
IEEE IAS Annual Meeting 1999.