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1 - PUISSANCES ÉLECTRIQUES : DÉFINITION

2 - VERS LES CONVERTISSEURS MULTIFONCTIONS

3 - CONTRÔLE D’UN CONVERTISSEUR MULTIFONCTION

4 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : D4268 v1

Contrôle d’un convertisseur multifonction
Compensation des courants harmoniques et réactifs par convertisseurs multifonctions

Auteur(s) : Meriem MERAI, Mohamed Wissem NAOUAR, Ilhem SLAMA-BELKHODJA, Éric MONMASSON

Relu et validé le 26 avr. 2021

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RÉSUMÉ

Un micro-réseau recouvre un système d’énergie intégré constitué de systèmes de générations distribuées et de multiples charges électriques opérant comme un réseau unique et autonome aussi bien en mode parallèle qu’en mode isolé par rapport au réseau électrique principal. Des convertisseurs statiques de puissance agissent comme interfaces entre les sources d’énergie primaires et les lignes de distribution de l’énergie électrique. La flexibilité de ces convertisseurs, particulièrement les convertisseurs côté réseau, offre la possibilité de les contrôler de sorte qu’ils réalisent, outre leurs fonctions principales, des fonctions auxiliaires comme la compensation des puissances réactives et déformantes consommées par des charges locales. Ce sont alors des convertisseurs multifonctions dont l'utilisation est motivée par le fait d'être constitués des mêmes circuits de puissance que ceux utilisés dans les convertisseurs d'interfaçage des sources et le fonctionnement intermittent ou à puissance réduite des sources, ce qui offre une marge de puissance conséquente permettant la réalisation des fonctions auxiliaires. L'article discute l’intérêt de l’utilisation des convertisseurs multifonctions pour assurer à moindre coût la compensation des courants harmoniques et réactifs consommés par des charges locales.

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ABSTRACT

Reactive and Harmonic Current Compensation by Multifunction Converters

A microgrid covers an integrated energy system consisting of distributed generation systems and multiple electrical loads operating as a single and autonomous network in both parallel and isolated mode with respect to the main power grid. Static power converters act as interfaces between primary energy sources and power distribution lines. The flexibility of these converters, particularly the grid side converters, offers the possibility of controlling them so that they perform, in addition to their main functions, auxiliary functions such as the compensation of the reactive and distorting powers consumed by local loads. These are then multi-function converters whose use is motivated by the fact of being constituted of the same power circuits as converters used to interface sources and the intermittent or low-power operation of sources, which provides a significant power margin for the realization of auxiliary functions. The article discusses the interest of using multi-function converters to ensure, at low cost, the compensation of harmonic and reactive currents consumed by local loads.

Auteur(s)

  • Meriem MERAI : Docteur en génie électrique, ingénieur en génie électrique - Assistante technologue à l’École supérieure privée d’ingénierie et de technologie (Esprit) Université de Tunis El Manar, École nationale d’Ingénieurs de Tunis Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15 Tunis, Tunisie

  • Mohamed Wissem NAOUAR : Docteur en génie électrique, ingénieur en génie électrique - Maître de Conférences à l’École nationale d’ingénieurs de Tunis Université de Tunis El Manar, École Nationale d’Ingénieurs de Tunis - Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15 Tunis, Tunisie

  • Ilhem SLAMA-BELKHODJA : Professeur des universités Université de Tunis El Manar, École nationale d’ingénieurs de Tunis Laboratoire de systèmes électriques, LR11ES15 Tunis, Tunisie

  • Éric MONMASSON : Professeur des universités Laboratoire SATIE-IUP GEII, Université de Cergy-Pontoise, Cergy-Pontoise, France

INTRODUCTION

Durant les dernières décennies, la consommation énergétique mondiale n’a cessé de croître. Selon le rapport (Key World Energy Statistics 2017), publié en 2017 par l’IEA (International Energy Agency), la totalité de l’énergie consommée à l’échelle mondiale en 2015 est de l’ordre de 13647 Mtep (millions de tonnes équivalent pétrole). L’énergie non renouvelable en représente 90,3 %, avec la plus grande part de consommation pour le pétrole (31,7 %), suivi par le charbon (28,1 %), ensuite le gaz naturel (21,6 %) et finalement le nucléaire (4,9 %). La consommation accrue des énergies non renouvelables conduit non seulement à leur épuisement, mais aussi à la pollution de l’environnement et au réchauffement climatique. Par ailleurs, une flambée des prix des énergies non renouvelables est observée au fur et à mesure que l’on s’approche de l’échéance de leur épuisement. Cela constitue la raison décisive pour laquelle, dans un futur proche, aussi bien au niveau national qu’international, les réseaux électriques vont évoluer vers l’intégration croissante de productions décentralisées d’énergie électrique, d’origines solaire ou éolienne, ainsi que de dispositifs de stockage d’énergie électrique. C’est pourquoi, actuellement, plusieurs projets pilotes de recherche se focalisent sur le nouveau concept de microréseau. Celui-ci peut être décrit comme étant un système d’énergie intégré incluant des installations locales de génération d’énergie électrique (microturbines, panneaux photovoltaïques, mini-éoliennes, etc.), des charges électriques, des installations de stockage d’énergie électrique (batteries, supercondensateurs) et un système de supervision et de gestion des flux énergétiques. Les microréseaux sont destinés à assurer, pour un certain nombre de consommateurs, une génération décentralisée de l’énergie électrique et un approvisionnement local d’énergie électrique.

Le fonctionnement d’un microréseau nécessite une gestion intelligente et communicante de l’ensemble de ses constituants en vue d’assurer la disponibilité de l’énergie électrique dans un contexte de hausse de demande et avec une offre d’énergie décentralisée, intermittente et volatile. Cela a poussé plusieurs chercheurs et universitaires à effectuer des travaux de recherche sur le nouveau concept de microréseau. La problématique traitée dans cet article porte sur l’amélioration de l’efficacité énergétique dans un microréseau AC triphasé. Elle est motivée par le fait que, de manière générale, les charges ne bénéficient que de la partie « active » de l’énergie fournie alors qu’ils consomment aussi une partie « réactive » et « harmonique » de l’énergie, ce qui surcharge le microréseau. C’est pour cela qu’il est avantageux de compenser les parties réactive et harmonique de l’énergie via des solutions appropriées. Les solutions classiques utilisées à cette fin peuvent être classées en deux catégories, à savoir les solutions passives telles que les batteries de condensateurs ou de filtres passifs et les solutions actives telles que les filtres actifs de puissance. Cela étant dit, de récents travaux de recherche ont montré que la compensation des énergies réactives et harmoniques peut être effectuée avec des convertisseurs multifonctions (CMF). Ces convertisseurs sont utilisés à la base pour faire l’interface entre des sources d’énergie renouvelables (SER) et les lignes de transport d’énergie électrique d’un microréseau. Leur fonctionnalité peut être étendue pour réaliser des fonctions auxiliaires qui assurent la compensation de la partie harmonique et réactive de l’énergie consommée par des charges locales se trouvant à proximité des CMF. La solution à base de CMF s’adapte bien au nouveau concept émergeant de microréseau étant donné que ce dernier est susceptible d’intégrer différents systèmes reposant sur des SER et présente une structure communicante bidirectionnelle d’informations entre ses différents constituants. Par ailleurs, cette solution est envisageable étant donné que lorsque les tensions au niveau des lignes de distribution d’énergie électrique d’un microréseau sont équilibrées et présentent un faible contenu harmonique, la compensation de la partie harmonique et réactive de l’énergie consommée par une charge s’effectue essentiellement par la compensation des courants harmoniques et réactifs qu’elle consomme. Les solutions actives standards utilisées pour traiter les courants harmoniques et réactifs présentent les mêmes topologies que celles des convertisseurs côté réseau (CcR) inclus dans les systèmes de génération à base de SER. Ajouté à cela le fonctionnement intermittent ou à puissance réduite de ces systèmes de génération, l’extension de la fonctionnalité des CcR vers des CMF assurera une réduction de la consommation d’énergie à moindre coût et sans l’ajout de dispositifs additionnels dédiés à cette fin. L’utilisation des CMF est également motivée par les performances de calcul élevées des nouvelles solutions numériques qui permettent l’ajout de fonctions auxiliaires complexes sans délais de temps de calcul excessifs.

Ainsi, l’article proposé a pour principal objectif de faire prendre conscience, aux lecteurs, de l’évolution future des solutions d’amélioration de la qualité d’énergie électrique, notamment l’intérêt de faire contribuer les CMF, intégrés dans des générations distribuées à base de SER, dans la compensation dynamique des courants harmoniques et réactifs. Bien que ces solutions soient en phase de décollage industriel, les technologies actuelles sont assez matures pour les intégrer dans les filières de production et maîtrise de l’énergie électrique. Pour cela, les auteurs souhaitent démontrer l’intérêt économique et énergétique offert par les CMF associés à des systèmes de génération à base de SER tout en soulignant les défis technologiques qui leur sont associés.

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KEYWORDS

Renewable energies   |   multifonction converter   |   reactive current   |   harmonic current

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-d4268


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3. Contrôle d’un convertisseur multifonction

Dans ce suit sont détaillées les différentes fonctions qu’assure le contrôle d’un convertisseur multifonction destiné à la compensation des courants harmoniques et réactifs consommés par des charges locales.

3.1 Synchronisation avec le réseau

Au niveau du point de connexion commun (PCC), le vecteur tension du réseau est supposé former un système triphasé, équilibré et sinusoïdal comme celui donné par (17) avec une représentation vectorielle donnée par la figure 3. Sur cette figure 3, le vecteur tourne avec une pulsation ω et son extrémité décrit un cercle entier le long d’une période complète T = ω/(2π). La phase θdq du vecteur tension réseau peut être déduite à partir des composantes V (α,β) du vecteur tension réseau, et ce en utilisant différentes techniques. Parmi ces techniques, les plus utilisées sont celles basées sur l’algorithme CORDIC (COordinate Rotation DIgital Computer  ...

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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - KERCHNER (R.M.), CORCORAN (G.F.) -   Alternating current circuits.  -  Wiley (1938).

  • (2) - EMMANUEL (A.E.) -   Apparent and reactive powers in three-phase systems : In search of a physical meaning and a better resolution.  -  ETEP-Eur Trans. Elect. Power Eng, vol. 3, n° 1, p. 7-14, janv.-févr. 1993.

  • (3) - MAJUMDER (R.) -   Some aspects of stability in microgrids.  -  IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 28, n° 3, p. 3243-3252, août 2013.

  • (4) - ZENG (Z.), YANG (H.), TANG (S.), ZHAO (R.) -   Objective oriented power quality compensation of multifunctional grid-tied inverters and its application in microgrids.  -  IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 30, n° 3, p. 1255-1265, mars 2015.

  • (5) - MERAI (M.), NAOUAR (M.W.), SLAMA-BELKHODJA (I.), MONMASSON (E.) -   Grid connected converters as reactive power ancillary service providers: Technical analysis for minimum required DC-link voltage.  -  Math. Comput. Simulation (2018).

  • ...

1 Sites Internet

Part des énergies renouvelables dans un futur proche https://ec.europa.eu/energy/sites/ener/files/documents/20160713%20draft_publication_REF2016_v13.pdf (page consultée le 22 mars 2019)

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