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Qualité de l'onde électrique et moyens de mitigation

Mendalek, Nassar (2003). Qualité de l'onde électrique et moyens de mitigation. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

La question de la qualité de l'onde électrique a attiré l'attention en raison de l'usage grandissant des convertisseurs de puissance dans la conversion de l'énergie alternative pour l'alimentation des charges électriques. Ces convertisseurs possèdent une bonne performance en matière de réponse dynamique et de volume massique, au détriment d'un important problème de dégradation de la qualité de l'onde à cause de la pollution harmonique engendrée. Cette pollution entraîne un faible facteur de puissance, une réduction du rendement des systèmes de puissance, une distorsion dans les tensions et une élévation des pertes dans les lignes de transport et de distribution. Des moyens de mitigation traditionnels consistent à utiliser des filtres passifs pour atténuer les courants harmoniques dans la ligne et pour améliorer le facteur de puissance. Cependant, ces filtres ont des inconvénients majeurs dont la provocation des résonances série et parallèle et les caractéristiques constantes de compensation.

D'autre part, des règlements standards pour la restriction des harmoniques sont déjà en vigueur dans plusieurs pays. De plus, la dérégulation de l'énergie électrique semble une question de temps. La nécessité de trouver des moyens de mitigation efficaces pour remplacer les filtres passifs, devient alors primordiale. Dans ce contexte, différentes topologies et stratégies de commande de filtres actifs ont été proposées dans la littérature durant les deux dernières décennies.

Dans cette thèse, nous retraçons dans un premier temps les différents problèmes affectant la qualité de l'onde électrique et nous décrivons les moyens de mitigation usuels. Nous abordons ensuite les éléments essentiels à savoir pour l'étude d'un filtre actif incluant la modélisation, la commande, la détermination des consignes et la modulation des signaux d'entrée. Un filtre actif shunt monté seul est considéré. Pour la commande de ce filtre nous élaborons des techniques de commande avancées notamment les commandes non-linéaire, par le mode de glissement et prédictive. Les stratégies utilisées sont différentes de ce qui est déjà appliqué aux filtres actifs pour tenter de combler les faiblesses existantes. Le filtrage hybride associant des filtres passifs avec un filtre actif est ensuite traité. Un nouvel algorithme basé sur la méthode des moindres carrés moyens est développé pour la régulation de la tension alternative au point de raccordement d'un filtre hybride. Des simulations intensives tenant compte de situations critiques sont menées afin de valider les théories élaborées. Les résultats des simulations sont concluants et confirment la bonne performance des commandes proposées.

Titre traduit

Power quality: problems and solutions

Résumé traduit

The proliferation of non-linear loads such as diode, thyristor and transistor converters and cycloconverters, contributes to the degradation of the power quality through the generation of harmonic and reactive currents. Harmonic currents result in the distortion of the supply voltage waveform due to the finite supply impedance. The user achieves energy efficiency at the expense of increased line losses and power equipment derating. The traditional solution of shunt-connected passive filters is undesirable due to various shortcomings including the series or parallel resonance conditions at harmonic frequencies and the fixed reactive power generated at fundarnental frequency.

Although harmonic recommended practices such as IEEE-519 are being strongly suggested by the utilities, they are not enforceable. On the other hand, after utility deregulation there will be quality issues at each physical location where ownership is transferred. Thus, the need of active power filters to replace passive ones becomes irrefutable.

In this thesis, first of all, we review the different power quality issues and the available solutions. Then we present the essential elements constituting an active power tilter including modeling, control strategies, harmonic reference computation techniques and pulse width modulation methods. Then a pure shunt active filter is considered. Advanced control strategies are developed to control this filter notably sliding mode, exact non-linear, and optimal predictive control techniques. The novelty of the proposed sliding mode approach is that the switching functions are constructed such that the multivariable active filter model is controlled as a whole with no need to divide it into inner and outer separate loops. ln this way, the global stability is achieved. Hybrid power filter topologies combining passive and active filters are then studied. An adaptive controller is developed to the terminal voltage regulation of a hybrid shunt filter. This controller is based on the Least-Mean-Square (LMS) algorithm to estimate the voltage regulation gain to allow for the converter to generate a controllable amount of reactive power independently of system parameters and to be moved from one site to another as the need arises. Simulation results in steady state and dynamic operations and under severe load current and supply voltage disturbances, confirm the expected performance of the new controllers.

Type de document: Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires: "Thèse présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Bibliogr.: f. [215]-221.
Mots-clés libres: Actif, Commande, Electrique, Filtrage, Filtre, Glissement, Hybride, Lineaire, Migration, Non, Non-Lineaire, Onde, Predictif, Predictive, Qualite, Shunt
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de thèse
Al-Haddad, Kamal
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de thèse
Rajagopalan, Venkatachari
Programme: Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt: 09 mai 2011 19:21
Dernière modification: 14 oct. 2016 22:44
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/729

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