Brevet FR2720560A1 — publié le 19951201

DISPOSITIF DE CONDITIONNEMENT DE LIGNE POUR REDUIRE OU ELIMINER LES PERTURBATIONS Le réseau de distribution électrique basse tension présenterait, en l'absence d'utilisateurs, une onde de tension de qualité qui serait perturbée, très occasionnellement, par des défaillances dans les lignes et dans les centres de transformation, par des manoeuvres, ainsi que par des décharges électriques, atmosphériques principalement. Les utilisateurs soumettent le réseau à l'influence d'une multitude de charges qui, même en fonctionnement correct, peuvent altérer l'onde de tension par des chutes permanentes ou transitoires excessives, l'injection de courants harmoniques, les pointes de courant au moment des démarrages et les surtensions pendant les arrêts et autres perturbations possibles. De plus, les charges peuvent tomber en panne et produire des consommations anormales, ainsi que des courts-circuits devant être isolés par les systèmes de protection prescrits par les normes légales. Tant que la charge défectueuse n'est pas isolée, elle peut provoquer d'importantes perturbations dans des points proches du réseau. Les coupures de moins d'une seconde sont les perturbations affectant le plus fréquemment la qualité du réseau. Les SAI (Systèmes d'Alimentation Ininterrompue) sont des équipements électroniques de puissance destinés à l'heure actuelle à éliminer les coupures longues dans les réseaux. Leur autonomie est fondée sur le stockage d'énergie dans des batteries généralement au plomb ou au nickel-cadmium. Les temps de secours sont compris entre huit minutes et plusieurs heures. Pour des laps de temps inférieurs, les batteries rapides au nickel-cadmium sont les - 2 - mieux indiquées mais elles ont un mauvais comportement lorsqu'il s'agit de décharger une partie importante de leur énergie sur des périodes inférieures à cinq minutes. D'autre part, les condensateurs électrolytiques, bien qu'ayant amélioré énormément leur rapport énergie stockée/volume, ne sont pas adéquats pour l'instant pour des temps d'autonomie de plus de 500 ms. On essaie aujourd'hui de combler la lacune entre des autonomies de 0,1 s à plusieurs secondes par le stockage énergétique dans des bobines supraconductrices. En fait, des SAI sont déjà commercialisés avec ces moyens de stockage, destinés à l'élimination des perturbations dans les charges ou dans les installations très critiques. La complexité du système cryogénique, qu'exige aujourd'hui la bobine supraconductrice, en fait le système adéquat pour résoudre des problèmes de qualité d'alimentation dans des cas extrêmes et de manière conjoncturelle. Le présent brevet présente une solution de conditionnement adéquat pour un stockage d'énergie électrique de tension (batterie, condensateur) pour fonctionner en tant que SAI en cas de coupure dans le réseau. La présente invention concerne un conditionnement de ligne fondé sur des filtres actifs de courant et de tension pour réduire ou éliminer les perturbations du réseau électrique provoquées dans le réseau ou dans la ligne proprement dits ou dans l'installation du client ou abonné. Ce dispositif de conditionnement comprend deux filtres actifs réalisés au moyen de convertisseurs électroniques avec des - 3 - interrupteurs statiques commutés à haute fréquence et des éléments réactifs (condensateurs et bobines). L'un d'eux est consacré à la correction des perturbations de tension provoquées dans le réseau et l'autre à la réduction des harmoniques d'intensité sollicitées par l'installation du client. Tous deux se trouvent interconnectés électriquement au moyen de la ligne proprement dite et des barres de courant continu auxquels se trouve relié un élément de stockage d'énergie (condensateur ou batterie). En cas de défaut du réseau, un interrupteur statique isole l'équipement du réseau et laisse branchée sur celui- ci la charge la moins critique au moyen d'un deuxième interrupteur statique, alors que le convertisseur filtre de courant reconfigure sa stratégie de fonctionnement et va fonctionner en tant que Système d'Alimentation Ininterrompu (SAI) pour la partie la plus critique de la charge, alimentée par l'élément de stockage. Celui-ci se recharge pendant le fonctionnement normal, c'est-à-dire sur le réseau. Le figure 1 est une représentation d'une réalisation pratique de l'invention avec une configuration triphasée avec sa charge critique (1) et sa charge non critique (2). La figure 2 est une représentation d'une réalisation pratique de l'invention en tant que correcteur, avec une configuration monophasée. SCHEMA DETAILLE Le filtre actif de tension est constitué par les transformateurs injecteurs de tension T1, T2 et T3, les filtres à courant alternatif L1-Cl, L2-C2 et - 4 - L3-C3 et les ponts à interrupteurs QR1-DR1 à QT4-DT4. Chaque pont a quatre interrupteurs (QR1-DR1 à QR4- DR4, QS1-DSl à QS4-DS4 et QT1-DT1 à QT4-DT4) et alimente l'un des filtres fonctionnant comme onduleur autonome alimenté depuis l'élément de stockage C7- C8'. La commutation des interrupteurs est réalisée à haute fréquence (environ 10 kHz) selon un critère qui sera décrit plus loin. Chaque filtre monophasé Ll-Cl à L3-C3 agit de manière indépendante et a pour mission de réduire les harmoniques de tension du générateur par l'intermédiaire du pont onduleur correspondant dans une fréquence proche de la fréquence de commutation de celui-ci, en laissant passer la fréquence fondamentale et les harmoniques jusqu'à 20 approximativement. Les suppresseurs SP1 à SP3 réduisent les surtensions pouvant avoir leur origine dans les primaires de T1 à T3 lorsqu'il y aura des surcharges élevées ou des courts-circuits à la sortie du dispositif de conditionnement. Le filtre actif correcteur de courant est constitué par le pont des interrupteurs QR'l-DR'l à QT'1-DT'2. L'élément limiteur de chaque phase est une bobine (L4, L5 et L6) et l'élément de stockage est l'ensemble des condensateurs C7 à C8'. Les condensateurs C4 à C6, selon ce mode de fonctionnement, sont en parallèle avec la charge et ne fonctionnent qu'en mode filtre des harmoniques élevées générées par la charge et par le filtre correcteur de courant proprement dit. En cas de dérangement ou de défaillance dans le réseau, l'interrupteur statique Si à S6 se ferme - 5 - en même temps que l'on ordonne la fermeture du contacteur COR-COT, installé en parallèle, ce qui place la charge non critique en alimentation directe sur le réseau. En même temps s'ouvre l'interrupteur statique S'l à S'6 qui isole le filtre actif correcteur de courant du réseau et de la charge non critique. Ce filtre va fonctionner en tant qu'onduleur ou système d'alimentation ininterrompue en alimentant exclusivement la charge critique à partir de l'énergie accumulée dans l'élément de stockage C7-C8'. Le disjoncteur magnéto-thermique I15-IlT protège l'équipement en cas de panne générale. FONCTIONNEMENT NORMAL EN TANT QUE CORRECTEUR DE TENSION, COURANT ET PUISSANCE REACTIVE Le contacteur COR-COT est ouvert. Le contacteur statique S1-S6 est ouvert. Le contacteur statique S'1-S'6 est fermé. Le fonctionnement détaillé va être décrit, dans un but de simplification, à partir du schéma monophasé de la figure 2. Le filtre actif de tension en série (3) est l'onduleur contrôlé en PWM (pulse width modulation) constitué par les interrupteurs S1 à S4 et le filtre L1 C1. Il est alimenté à partir du condensateur C'7 et C'8 à une tension ui d'environ 700 V c.c. La tension générée par l'onduleur est connectée en série à la ligne au moyen du transformateur compensateur T1. Le rapport des spires n du transformateur est d'environ de 11. Cette valeur peut être facilement déduite de la valeur choisie pour ui (700 V) et les spécifications de conception - 6 - de l'équipement, (la valeur précédente a été choisie pour une variation permanente de la tension d'entrée de 18% et une variation permanente de la tension de sortie de 3%). La tension d'entrée dans le filtre L1 C1 (u)F peut prendre trois valeurs: -ui, 0, ui. L'objet de la stratégie de contrôle est de générer dans le moindre laps de temps possible une tension ucl/n composant exactement la différence instantanée entre la tension du réseau et sa valeur idéale. On peut obtenir un onduleur plus simple en éliminant S3 et S4 et en connectant la bobine L1 au point milieu de C'7 et C'8. De cette manière, la possibilité d'une valeur zéro pour uF disparaît, provoquant un taux d'harmoniques supérieur dans uF, ce qui, à son tour, implique une réponse moins fidèle et un filtre L1 C1 plus grand. Le filtre actif de courant en parallèle (4) est un redresseur à haute fréquence limité par une bobine. Les interrupteurs S5 et S6 sont modulés en vue de parvenir à deux conditions principales: générer les courants harmoniques exigés par la charge et maintenir ui égal à 700 V (la tension nécessaire pour le filtre actif correcteur de la tension). La bobine L2 agit en tant que filtre selon les fréquences élevées générées par la commutation de S5 et S6. Comme on l'a déjà dit au chapitre 3, C4 n'est pas strictement nécessaire lorsque le circuit fonctionne comme filtre de courant, puisqu'il est relié directement à la sortie du dispositif de conditionnement. Toutefois, sa présence dans ce mode de fonctionnement aide à réduire les harmoniques de courant aux fréquences proches et au-dessus du réseau -7- par l'intermédiaire du filtre actif série de tension qui provoqueraient une spirale de tension dans le réseau, étant donné l'impédance du court- circuit non nulle. Tel que nous l'avons décrit pour le circuit triphasé de la figure 1, le contacteur COR et l'interrupteur statique S1-S2 court-circuitent le dispositif de conditionnement en cas de panne et l'interrupteur statique S'1-S'2 isole le réseau par rapport à la charge critique et le dispositif de conditionnement en cas de coupure du réseau. Dans ces conditions, le filtre correcteur de tension n'agit pas et le filtre du courant agit en tant qu'onduleur avec alimentation en prise moyenne (point milieu de C'7 et C'8) commuté à haute fréquence par une technique PWM utile dans ce cas. Le condensateur C4 agit maintenant comme faisant partie du filtre L4 C4 de sortie de l'onduleur. En choisissant une fréquence de commutation pour S5 et S6 de l'ordre de 20 kHz, le condensateur C4 n'a pas besoin de disposer d'une puissance réactive à la fréquence fondamentale supérieure à 10 % de la puissance nominale. Cette condition est remplie grâce à l'influence de C4 dans le fonctionnement de ce circuit en tant que filtre de courant décrit précédemment. L'interrupteur statique S'1-S'2 s'ouvre pendant les coupures de réseau, en isolant le dispositif de conditionnement et la charge critique du réseau. Afin d'éviter des surtensions, l'ouverture se réalise pendant un passage du courant par zéro. En même temps, ainsi que nous l'avons dit dans la description détaillée, le contrôle du filtre de courant modifie la stratégie de commutation et -8- fonctionne comme un onduleur modulé en largeur d'impulsion (Pulse Width Modulation). Dans cette situation, L4 C4 agit en tant que filtre de sortie de l'onduleur précédent. La conception du filtre actif d'intensité pour un fonctionnement typique en tant que dispositif de conditionnement de réseau ne permet pas d'alimenter à pleine charge pendant une coupure de réseau si le filtre fonctionne comme onduleur. Ceci est, toutefois, théoriquement et techniquement possible avec la topologie proposée, mais pénalise les composants du filtre d'intensité sur le plan économique. Sans pénaliser excessivement la conception du filtre d'intensité, on peut répondre, en fonctionnement d'onduleur, à une charge critique de l'ordre de 30 % de la charge nominale. L'interrupteur statique S'1-S'2 doit être très rapide en vue d'isoler, en cas de défaillance du réseau, la charge non critique dans le moindre laps de temps possible. On peut utiliser un interrupteur à thyristors. Aujourd'hui, on peut utiliser également des transistors de puissance, dont le contrôle est plus simple. La variante triphasée, décrite à la figure 1, permet un contrôle indépendant de chaque phase du filtre correcteur de tension ainsi que de chaque phase du filtre correcteur de courant, aux seules conditions de ne pas dépasser les limites établies par calcul pour les composants et de maintenir la tension des barres de courant continu constante. - 9 - Par conséquent, l'équipement revendiqué peut réaliser un contrôle indépendant des modules et des angles des tensions des phases de sortie par rapport à l'entrée. Cette possibilité peut être utilisée en vue de compenser des déséquilibres de tension dans le réseau, tant modulaires qu'angulaires, ainsi que pour les provoquer de manière contrôlée en vue de compenser d'autres anomalies et de rendre plus facile la gestion du réseau. De la même manière, le filtre correcteur de courant peut, en plus de compenser des courants harmoniques et le courant réactif, compenser des déséquilibres dans les courants actifs de la fréquence fondamentale ou les provoquer de manière contrôlée pour compenser d'autres anomalies et rendre plus facile la gestion du réseau. Par conséquent, la topologie du circuit selon l'invention permet d'assurer la fonction d'un véritable dispositif de conditionnement universel. FONCTIONNEMENT EN SYSTEME D'ALIMENTATION ININTERROMPUE Le filtre actif de courant se comporte, en cas de défaillance du réseau, comme un onduleur autonome. Il extrait l'énergie des condensateurs du maillon à courant continu et alimente avec une tension nominale de 200 V eff., entre la phase et le neutre, les charges considérées comme critiques. Pour un fonctionnement correct, il faut qu'au moment de détecter la défaillance du réseau, le - 10 - filtre actif de courant en soit isolé et ceci est réalisé par l'intermédiaire de l'interrupteur S'1- S'2, figure 2. Le temps de délivrance de puissance dans les conditions nominales est garanti pendant 0,5 s en ce qui concerne les charges critiques. Pendant le passage du fonctionnement en filtre actif au fonctionnement en onduleur, on tient compte de l'instant de l'onde de tension o la tension devient nulle et, de cette manière, on atténue les effets de cette perturbation sur la charge. Dans le cadre des revendications préconisées, les équipements électroniques pour le conditionnement des lignes peuvent être conçus pour les différentes tensions d'entrée et de sortie, configuration mono ou triphasée, pour les différentes puissances, tailles, formes, composants, dispositifs de protection et critères de contrôle, sans que ces variations, ainsi que celles pouvant être introduites dans le détail de la présentation et l'organisation, n'affectent le sens de l'invention. C'est pourquoi les équipements fabriqués dans l'idée générale de la présente invention, avec n'importe laquelle de ces modifications, seront considérés comme des variantes également comprises et protégées par le présent brevet. - 11 - REVENDICATIONS 1. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations" essentiellement caractérisé en ce qu'il est constitué par un filtre actif générateur de tension en série entre le réseau et la charge et un filtre actif générateur de courant en parallèle avec la charge, reliés par un élément de stockage en tension continue, le filtre actif de tension étant composé d'un onduleur (convertisseur courant continu - courant alternatif), alimenté par le dispositif de stockage qui alimente en même temps un filtre LC passe bas dont la tension de sortie est injectée en série entre le réseau et la charge au moyen d'un transformateur réducteur. 2. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations" selon la revendication 1, caractérisé en ce que le filtre actif d'intensité est composé d'une bobine connectée entre chaque phase de sortie de la charge critique et le point milieu d'une branche d'interrupteur bidirectionnel en courant et unidirectionnel en tension, dont les pôles positif et négatif sont reliés au dispositif de stockage de tension continue, le neutre du réseau restant relié au point milieu de l'élément de stockage de tension continue. 3. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations", selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre chaque phase de sortie de la charge critique et le neutre sont prévus des condensateurs agissant comme des filtres tant en fonctionnement correcteur de courant qu'en fonctionnement onduleur. - 12 - 4. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations" selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'élément de stockage de tension continue peut être, en option, partagé en deux blocs interconnectés avec une bobine réductrice. 5. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations", selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'entre les bornes de sortie pour la charge critique et les bornes correspondantes de sortie pour la charge non critique, est disposé un interrupteur statique de blocage forcé s'ouvrant en l'absence de courant, des bornes de sortie pour la charge critique étant isolées du réseau et de la charge non critique et reliées directement au filtre correcteur de courant fonctionnant dans cette situation en onduleur ou système d'alimentation ininterrompue. 6. "Dispositif de conditionnement des lignes pour réduction ou élimination de perturbations", selon la revendication 1, caractérisé par un contacteur électromécanique en parallèle avec un autre contacteur statique, court-circuitant le transformateur injecteur du correcteur de tension en cas de défaillance du réseau, en reliant celui-ci directement à la charge non critique, ainsi qu'en cas de surcharge.