Comparaison des performances des filtres harmoniques dans un système électrique industriel pour la réduction de la distorsion harmonique

Publié par 1. Estifanos Dagnew Mitiku¹, 2. Gebrie Teshome Aduye², 3. S. Abdul Rahman³, 4. Mahilet Mentesinot Abuhay⁴Département de génie électrique et informatique, Institut de technologie, Université de Gondar, Éthiopie (1, 2, 3) ; Département de génie industriel, Institut de technologie, Université de Gondar, Éthiopie (4) ; ORCID : 1. 0000-0002-6613-3979, 2. 0000-0003-1184-9184, 3. 0000-0003-0134-8028, 4. 0000-0001-7554-8562

Mots clés : Filtre harmoniques, Distorsion harmonique, Distorsion harmonique totale, MATLAB/SIMULINK.
Mots clés :filtre, harmoniques, THD

Introduction

Qualité de l'énergie La qualité de l'énergie (QE) est un problème tant pour les fournisseurs d'électricité que pour les consommateurs, quel que soit leur niveau de consommation. Parmi les problèmes de QE, on trouve les harmoniques, composantes sinusoïdales d'une onde périodique dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale, soit 50 Hz ou 60 Hz [1]. Les tensions harmoniques résultent des harmoniques de courant, elles-mêmes générées et absorbées par les charges électroniques non linéaires injectées dans le réseau [2].

Mesure de la distorsion harmonique dans l'industrie

Pour évaluer le niveau de distorsion harmonique dans le réseau électrique industriel, une surveillance doit être effectuée aux points d'entrée du réseau, c'est-à-dire aux points de raccordement communs (PCC), points de connexion des départs 15 kV. Cependant, la distance et l'impédance de la ligne entre le PCC et le primaire du transformateur étant négligeables, les primaires sont considérés comme faisant partie du PCC, comme illustré sur la figure 1 [2].

La distorsion harmonique dans l'industrie est mesurée lorsque toutes les machines fonctionnent simultanément, afin d'observer les caractéristiques cumulatives des charges industrielles. La collecte des données est réalisée par mesure directe. Après analyse, les données recueillies sont calculées et comparées aux valeurs acceptables définies par les normes de bonnes pratiques recommandées par l'IEEE pour le contrôle des harmoniques [28].

Tableau 1 : Limites de distorsion harmonique pour les réseaux de distribution (120 V à 69 000 V) [2]. Figure 1 : Emplacement du dispositif de surveillance et point de raccordement commun. La distorsion harmonique est mesurée simultanément sur toutes les machines afin d’observer les caractéristiques cumulatives des charges industrielles. La collecte des données est réalisée par mesure directe. Après analyse, les données recueillies sont calculées et comparées aux valeurs limites définies par les normes IEEE relatives au contrôle des harmoniques [28].

Le courant de court-circuit et le courant nominal du départ 15 kV au point de couplage commun sont en moyenne respectivement de 10 kA et 1000 A, ce qui donne I_SC/JE_LLe rapport doit être inférieur à 20. Les valeurs de TDD des harmoniques de courant ne doivent pas dépasser 5 % au point de couplage commun (PCC). Les exigences du fournisseur d'électricité en matière de qualité de tension sont détaillées dans le tableau 2.

Les contenus harmoniques maximaux de tension et de courant de l'industrie lorsqu'elle fonctionne à pleine charge sont indiqués dans le tableau 3.

Les données enregistrées montrent que les courants harmoniques dominants sont les 5^èmeet 7^èmeLes taux de distorsion harmonique (THD) des harmoniques et du courant total pour les trois phases sont respectivement de 18,10 %, 18,33 % et 18,44 % au point de couplage commun (PCC), valeurs supérieures à la norme IEEE de 5 %. Ces valeurs de THD étant hors norme, des filtres harmoniques à simple accord, à double accord, passe-haut et de type C, avec leurs paramètres spécifiques, sont appliqués afin de réduire la distorsion harmonique. Leurs performances sont ensuite comparées en fonction du pourcentage de THD du courant obtenu avec chaque filtre.

Principe de fonctionnement

Le circuit utilisé pour la réduction de la distorsion harmonique est illustré à la figure 2. Il comprend des interrupteurs, des filtres harmoniques à simple et double accord, un filtre passe-haut et un filtre de type C, ainsi que la charge. En raison de la non-linéarité des charges du réseau électrique industriel, l'injection de courants harmoniques dans le système entraîne une distorsion des formes d'onde de la tension et du courant. Les filtres harmoniques, avec leurs valeurs nominales et leurs interrupteurs respectifs, sont utilisés indépendamment afin de comparer leurs performances. Leur activation et leur désactivation successives permettent de réduire la distorsion harmonique. Dans un premier temps, l'interrupteur du filtre à simple accord est activé, les autres étant désactivés. Ensuite, l'interrupteur du filtre passe-haut est activé, les autres étant désactivés. Puis, l'interrupteur du filtre à double accord est activé, les autres étant désactivés. Enfin, l'interrupteur du filtre de type C est activé, les autres étant désactivés. Par souci de simplification, seule une phase sur les trois est considérée, car l'alimentation est prélevée sur cette même phase afin de minimiser la distorsion harmonique et de présenter le circuit de commande.

Résultats de la simulation

Les distorsions harmoniques ont été simulées à l'aide du logiciel MATLAB/SIMULINK. Différents filtres harmoniques (à simple et double accord, passe-haut et de type C) ont été simulés avec leurs valeurs nominales afin de comparer leur performance en matière de réduction des distorsions harmoniques induites par des charges non linéaires dans le réseau électrique industriel. Les formes d'onde de la tension et du courant, côté source et côté charge, avant et après application des filtres harmoniques, sont présentées ci-dessous à titre de comparaison. L'industrie est alimentée par des charges non linéaires, fournies par le réseau électrique depuis le poste de transformation le plus proche. Ces charges non linéaires génèrent des courants harmoniques présentant une forme d'onde distordue. La simulation a été réalisée avec les valeurs nominales des filtres harmoniques, pour une tension nominale entre phases de 400 V, une fréquence de fonctionnement de 50 Hz, une puissance réactive nominale de 50 kVAR, un facteur de qualité de 7 et une fréquence d'accord fixée à 5 Hz.^èmeet 7^èmeharmoniques.

Les formes d'onde de la tension et du courant avant l'application des filtres harmoniques sont illustrées dans la figure 3.

L'industrie est soumise à des charges non linéaires alimentées par le réseau électrique. Ces charges génèrent une tension et un courant harmoniques distordus, comme illustré sur la figure 3. L'analyse par transformée de Fourier rapide (FFT), présentée figure 4, révèle un taux de distorsion harmonique (THD) de 18,33 %, supérieur à la limite acceptable de 5 % fixée par la norme IEEE pour cette étude. Afin de réduire la distorsion harmonique, des filtres harmoniques à simple et double accord, passe-haut et de type C ont été conçus et positionnés aux endroits appropriés du réseau électrique industriel. La distorsion harmonique est ainsi réduite et leurs performances sont comparées.

Filtre harmonique à accord unique

Filtre harmonique passe-haut

Filtre harmonique à double accord

Filtre harmonique de type C

Conclusion

Cet article compare les performances de filtres harmoniques appliqués à un réseau électrique industriel pour réduire la distorsion harmonique. Le taux de distorsion harmonique (THD) généré par les charges non linéaires du réseau est de 18,33 %. L'utilisation d'un filtre harmonique simple permet de réduire le THD à 5,08 %. Un filtre harmonique passe-haut permet d'obtenir un THD de 5,09 %, tandis qu'un filtre harmonique double atteint 4,00 %. Enfin, l'utilisation de filtres harmoniques de type C permet d'obtenir un THD de 4,68 %. En conséquence, d'après les résultats de simulation et l'analyse FFT, il apparaît que le filtre harmonique à double accord offre de meilleures performances que les filtres harmoniques à simple accord, passe-haut et de type C en réduisant les distorsions harmoniques à un niveau acceptable défini par les normes IEEE, soit moins de 5 % pour cette étude. Il est donc recommandé à l'industrie d'utiliser le filtre harmonique à double accord au secondaire du transformateur afin d'éliminer l'échauffement excessif, les déclenchements intempestifs et les dysfonctionnements des équipements dus aux harmoniques, qui entraînent des pertes de production.

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RÉFÉRENCES

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[28] CRCP LLC,Qualité de l'énergie © 2002.2002.

Auteurs :Maître de conférences, M. Estifanos Dagnew Mitiku, Département de génie électrique et informatique, Institut de technologie, Université de Gondar, Gondar, Éthiopie, Courriel : est7eced@gmail.com ; Maître de conférences, M. Gebrie Teshome Aduye, Département de génie électrique et informatique, Institut de technologie, Université de Gondar, Gondar, Éthiopie, Courriel : gebrie.415@gmail.com ; Professeur agrégé, Dr Abdul Rahman, Département de génie électrique et informatique, Institut de technologie, Université de Gondar, Gondar, Éthiopie, Courriel : msajce.abdulrahman@gmail.com ; Maître de conférences, Mme Mahilet Mentesinot Abuhay, Département de génie industriel, Institut de technologie, Université de Gondar, Éthiopie, Courriel : mahiletme@gmail.com.

Identifiant de l'article (source et éditeur) : Revue d'ingénierie électrique, ISSN 0033-2097, ANNÉE 98, N° 3/2022. doi : 10.15199/48.2022.03.12