Brevet FR2873866A1 — publié le 20060203

DISPOSITIF DE REGULATION POUR UN SYSTÈME DE COMPENSATION D'ENERGIE REACTIVE DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION [0001] L'invention est relative à un dispositif de régulation de courant sinusoïdal pour un système de compensation d'énergie réactive. ETAT DE LA TECHNIQUE 2] De nombreux récepteurs tels que des transformateurs, des moteurs, des climatiseurs ou des ballasts de tubes fluorescents, consomment de l'énergie réactive. Compenser l'énergie réactive, c'est fournir cette énergie à la place du réseau de distribution, au moyen d'un équipement de compensation. 3] Cette compensation se traduit par des avantages d'ordre technique tels que l'augmentation de la puissance disponible, la diminution de l'échauffement des câbles et les diminutions de chute de tension, et également par des avantages d'ordre économique tels que la suppression de la consommation d'énergie réactive et la réduction du montant des factures d'électricité. 4] Ainsi, pour minimiser la puissance réactive fournie par la source d'alimentation, des batteries de condensateurs sont connectées sur le réseau en parallèle avec les charges. Toutefois, le choix de l'équipement de compensation dépend, outre de la puissance réactive mise en jeu, de la pollution au point de raccordement. 5] En effet, la présence de charges non linéaires telles que, par exemple, des variateurs de vitesse, des onduleurs ou des redresseurs, crée des courants harmoniques qui surchargent les condensateurs. De ce fait, le choix et le dimensionnement du système de compensation est également fonction de la valeur de ces harmoniques. 6] Selon l'art antérieur, des batteries de condensateurs standard sont utilisées lorsqu'il y a peu d'harmoniques, par exemple lorsque le rapport de la puissance apparente des récepteurs produisant des harmoniques, divisée par la puissance apparente du transformateur, est inférieur à quinze pour cent. Des batteries de condensateurs surdimensionnés sont utilisées lorsqu'il y a plus d'harmoniques, par exemple lorsque le rapport des puissances apparentes est compris entre quinze et vingt-cinq pour cent. Typiquement, les condensateurs surdimensionnés ont un dimensionnement de 470 volts alors que le réseau fonctionne en 400/415 volts. Enfin lorsque le rapport des puissances apparentes devient plus important, par exemple supérieur à vingt-cinq pour cent, on utilise généralement des batteries de condensateurs surdimensionnés associées à des inductances anti-harmoniques. Le choix de l'accord entre les inductances et les condensateurs dépend des rangs harmoniques présents dans l'installation et des fréquences des signaux de télécommande utilisés sur le réseau. 7] Les systèmes selon l'art antérieur imposent donc d'adapter soigneusement le dispositif de compensation à l'installation électrique et aux charges qu'elle contient. En plus du temps nécessaire à l'étude des caractéristiques de l'installation et à la définition des systèmes de compensation, il est souvent indispensable d'utiliser des batteries de condensateurs surdimensionnés et des inductances anti-harmoniques ce qui augmente encore le coût de ces systèmes. Enfin, une vérification est nécessaire à chaque modification de l'installation électrique afin de vérifier que le système de compensation est toujours adapté. EXPOSE DE L'INVENTION [0008] L'invention vise donc à remédier aux inconvénients de l'état de la technique, en proposant un dispositif qui permette l'utilisation de batteries de condensateurs standard, sans avoir recours à des inductances anti-harmoniques, et sans nécessiter de phase d'adaptation à l'installation électrique. 9] A cet effet, l'invention a pour objet un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive comprenant - un transformateur de couplage dont 1' enroulement secondaire est destiné à être monté en série entre un réseau de distribution d'énergie électrique et des condensateurs de compensation d'énergie réactive, un filtre actif comportant un onduleur, - une boucle de commande en courant estimant une valeur fondamentale de courant électrique, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif, - le transformateur de couplage assurant un couplage entre la sortie de l'onduleur du filtre actif et le signal électrique circulant dans le condensateur de compensation d'énergie réactive, de telle sorte que le filtre actif série impose cette valeur fondamentale de courant au signal électrique circulant dans le condensateur. 0] Selon un mode de réalisation particulier, le dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention est caractérisé en ce que il est destiné à être utilisé entre un réseau de distribution d'énergie électrique triphasé et une batterie de compensation d'énergie réactive comprenant des condensateurs 10 triphasés, - l'onduleur possède trois sorties pour former un système triphasé, - le transformateur de couplage comprend au moins deux enroulements secondaires destinés chacun à être monté en série avec les condensateurs du banc de compensation d'énergie réactive, la boucle de commande en courant estime au moins deux valeurs fondamentales de courant, afin d'asservir en courant l'onduleur du filtre actif le transformateur de couplage assurant un couplage entre au moins deux sorties de l'onduleur du filtre actif et les signaux électriques circulant dans aux moins deux phases des condensateurs de compensation d'énergie réactive, de telle sorte que le filtre actif impose ces deux valeurs fondamentales de courant aux signaux électriques circulant dans les condensateurs. 1] Selon un mode de réalisation particulier, l'onduleur est alimenté par le transformateur de couplage. 2] Avantageusement, la boucle de commande en courant comprend un ou des filtres accordés à la fréquence du réseau calculant la ou les valeurs fondamentales de courant, la ou les valeurs fondamentales de courant étant modulées par la sortie d'un régulateur de tension continue, [0013] Préférentiellement, la modulation l'asservissement en courant de l'onduleur est 30 effectuée au moyen d'un correcteur non linéaire par hystérésis. [00141 Selon un mode de réalisation particulier, la boucle de commande en courant estime la ou les valeurs fondamentales de courant à partir du ou des courants en sortie de l'onduleur. Alternativement, la boucle de commande en courant estime la ou les valeurs fondamentales de courant à partir du ou des courants circulant dans le ou les condensateurs. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES [00151 D'autres avantages et caractéristiques ressortiront plus clairement de la description qui va suivre d'un mode particulier de réalisation de l'invention, donné à titre d'exemple non limitatif, et représenté aux dessins annexés sur lesquels: - la figure 1 représente de façon schématique l'installation d'un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention; - la figure 2 représente de façon schématique un dispositif de régulation de courant pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention; la figure 3 représente un mode de réalisation préférentiel de la boucle de commande en courant selon l'invention; - la figure 4 représente un mode de réalisation particulier de la boucle de commande en courant selon l'invention. DESCRIPTION DETAILLEE D'UN MODE DE REALISATION [00161 Comme représenté schématiquement sur la Figure 1, le dispositif (10) est installé en série avec les batteries de condensateurs de compensation (2). La figure 2 représente le principe de régulation du dispositif (10) selon l'invention. Il est composé d'un onduleur (1l) classique à trois bras qui alimente, au travers d'une cellule de filtrage passif, deux transformateurs monophasés dont les secondaires (12) sont connectés en série avec les condensateurs de compensation (2). L'onduleur (11) est alimenté par les transformateurs. [00171 Cette configuration limite le câblage aux quatre connexions (13) des secondaires (12) des transformateurs. [00181 Le principe de fonctionnement du dispositif (10) est basé sur l'asservissement en courant d'un onduleur (11) comprenant des convertisseurs à modulation de largeur d'impulsion (dits MLI ou encore PWM pour Pulse Width Modulation en anglais). 9] Les filtres actifs séries sont fréquemment utilisés pour minimiser les composantes harmoniques de tension en un point particulier du réseau. L'échange de puissance active étant nulle, il faut uniquement gérer les pertes du système. Les méthodes de contrôle classiques se basent sur une régulation de tension instantanée, les tensions harmoniques du réseau étant insérées en opposition de phase. Malheureusement, ce mode de régulation classique pénalise fortement la réponse dynamique du convertisseur. 0] Or la suppression des composantes harmoniques dans un banc de condensateurs (2) est un cas particulier: si le filtre actif impose les harmoniques de tension, le courant dans les condensateurs (2) sera parfaitement sinusoïdal. Inversement, si le courant dans les condensateurs (2) est sinusoïdal, les composantes harmoniques de tension aux bornes des condensateurs (2) seront éliminées. 1] Comme le représente la Figure 2, le dispositif (10) selon l'invention exploite cette particularité en utilisant une commande en courant d'un filtre actif (14), ce qui entraîne une maîtrise dynamique très performante. Cette méthode de commande nécessite le calcul de la composante fondamentale du courant qui sera imposée par le dispositif (10) . 2] Les courants à contrôler étant issus d'un système triphasé dépourvu de composante homopolaire (couplage des condensateurs de compensation en triangle ou bien en étoile avec neutre non relié au neutre du réseau), ceci permet d'utiliser un régulateur sur deux phases seulement et par conséquent d'estimer seulement deux valeurs fondamentales. Les références de courant sont naturellement déphasées de 211/3 et le signal de contrôle du troisième bras de l'onduleur (11) s'obtient grâce à une combinaison linéaire des deux autres signaux de contrôle. 3] Selon un mode de réalisation préférentiel représenté sur la Figure 3, le calcul des valeurs fondamentales de courant est effectué par l'intermédiaire de filtres (15) accordés à la fréquence du réseau. Ces valeurs fondamentales sont modulées par la sortie d'un régulateur de tension continue (16), de façon à gérer les pertes. De cette manière, les boucles de régulation de courant (14) et de tension (16) en cascade permettent d'obtenir des courants quasi sinusoïdaux en quadrature avec les tensions réseau correspondantes. Le nombre d'harmoniques compensées dépend de la bande passante de la boucle de contrôle du courant (14). Au delà de la fréquence de coupure, les harmoniques de tensions ne seront plus compensées et elles pourront même parfois être amplifiées. Il est donc nécessaire d'avoir un contrôle très performant. Par exemple, selon le mode de réalisation particulier représenté à la Figure 4, il est possible d'utiliser un correcteur non linéaire par hystérésis (17). 4] Afin d'asservir l'onduleur (11) en courant comme expliqué précédemment, il est nécessaire de calculer des signaux de référence des courants qui doivent être fournis par le filtre actif. Selon le mode de réalisation particulier représenté à la Figure 4, ces signaux de référence sont calculés directement à partir des courants circulant dans les deux secondaires du transformateur de couplage, en enlevant les composantes polluantes grâce à des filtres de type passe bande (15) accordés sur la fréquence du secteur. 5] Les filtres passe bande (15) peuvent être réalisés à partir de filtres actifs à capacités commutées. Les variations de la fréquence du réseau peuvent provoquer des atténuations et des déphasages indésirables en sortie des filtres passe bande. L'horloge de ces filtres actifs peut être optionnellement asservie par une boucle à verrouillage de phase appelée également PLL pour phase locked loop en anglais - afin de pallier cet inconvénient en permettant un fonctionnement adaptatif des filtres actifs. Il est alors possible d'obtenir un très faible déphasage entre la fréquence fondamentale du réseau et la sortie du filtre actif. Optionnellement, il est possible de prévoir une chaîne de calcul différente pour chaque valeur de référence de courant calculée, afin d'améliorer les performances en s'affranchissant des dispersions des impédances dans les circuits électriques des différentes phases. 6] La mise en oeuvre d'un dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon l'invention est particulièrement simple: elle se limite au branchement des enroulements secondaires (12) du transformateur de couplage en série entre le réseau de distribution d'énergie électrique (1) et les condensateurs de compensation (2), sans qu'il soit nécessaire d'adapter le dispositif (10) à l'installation électrique (1). De plus, grâce à sa très bonne réponse dynamique, les composantes harmoniques sont parfaitement supprimées ce qui permet d'utiliser des batteries de condensateurs de compensation (2) standard. [00271 Le dispositif (10) procure un avantage additionnel: avec les systèmes antérieurs, il était parfois nécessaire de prévoir des filtres bouchon afin d'éviter une trop forte atténuation, par les dispositifs de compensation, des signaux de commandes transmis sur le réseau de distribution d'énergie. Or les caractéristiques du dispositif(10) selon l'invention permettent de supprimer la circulation de ces signaux et leur atténuation, et ainsi d'éviter l'installation d'un tel filtre bouchon, ce qui simplifie encore la mise en oeuvre de la compensation d'énergie réactive, et réduit son coût. 2873866 8 REVENDICATIONS 1 - Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive comprenant - un transformateur de couplage dont l'enroulement secondaire (12) est destiné à être monté en série entre un réseau de distribution d'énergie électrique (1) et un condensateur de compensation d'énergie réactive (2), un filtre actif comportant un onduleur (11), une boucle de commande en courant (14) estimant une valeur fondamentale de courant électrique, afin d'asservir en courant l'onduleur (11) du filtre actif, le transformateur de couplage assurant un couplage entre la sortie de l'onduleur (1l) du filtre actif et le signal électrique circulant dans le condensateur de compensation d'énergie réactive (2), ladite valeur fondamentale de courant étant imposée au signal électrique circulant dans le condensateur (2). 2 - Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 1, caractérisé en ce que il est destiné à être utilisé entre un réseau de distribution d'énergie électrique triphasé (1) et une batterie de compensation d'énergie réactive comprenant des condensateurs triphasés (2), l'onduleur possède trois sorties pour former un système triphasé, le transformateur de couplage comprend au moins deux enroulements secondaires (12) destinés chacun à être monté en série avec l'un des condensateurs (2) du banc de compensation d'énergie réactive, la boucle de commande en courant (14) estime au moins deux valeurs fondamentales de courant, afin d'asservir en courant l'onduleur (11) du filtre actif le transformateur de couplage assurant un couplage entre au moins deux sorties de l'onduleur (1l) du filtre actif et les signaux électriques circulant dans aux moins deux phases des condensateurs (2) de compensation d'énergie réactive, ces valeurs fondamentales de courant étant imposées aux signaux électriques circulant dans les condensateurs (2). 3 Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'onduleur (1l) est alimenté par le transformateur de couplage. 4 Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la boucle de commande en courant (14) comprend un ou des filtres (15) accordés à la fréquence du réseau calculant la ou les valeurs fondamentales de courant. 5 - Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 4, caractérisé en ce que la ou les valeurs fondamentales de courant sont modulées par la sortie d'un régulateur de tension continue (16). 6- Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que l'asservissement en courant de l'onduleur (11) est effectuée au moyen d'un correcteur non linéaire par hystérésis (17). 7 Dispositif de régulation de courant (10) pour système de compensation d'énergie réactive selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la boucle de commande en courant (14) estime la ou les valeurs fondamentales de courant à partir du ou des courants circulant dans le ou les condensateurs (2).