Design and implementation of hybrid series compensators for smart grid applications

Résumé

La vision des futurs réseaux modernes passe par l'augmentation des énergies renouvelables tout en fournissant une alimentation efficace, fiable et durable pour les consommateurs. Selon les récents défis climatiques pour changer la façon dont l'énergie électrique est produite et l'émergence très rapide des équipements à base d'électronique de puissance, force l’industrie a changé sa perception des réseaux électriques. Afin de réaliser ces visions prometteuses, les réseaux électriques doivent inévitablement devenir plus intelligents à tous les niveaux, spécialement au niveau des réseaux de distribution. L'augmentation de la demande de sources d'énergies renouvelables et les générations distribuées ont contribué à cette vision dans le développement durable d'un réseau électrique moderne qui tient compte des nouvelles technologies très sensibles à la qualité de la tension fournie. En outre, dans ce paradigme de conception, les systèmes d'alimentation traditionnels basés sur les grandes centrales concentrées devraient être en mesure de faire face à ces sources d'énergie imprévisibles au niveau de la distribution. Dans ces circonstances, des activités considérables ont été réalisées en vue de rendre le réseau plus perspicace et intelligent, tout en tenant compte de l'efficacité énergétique et ses impacts environnementaux. Par ailleurs, les problèmes liés à la qualité de l'énergie devraient être considérés pour le développement de ce nouveau type de réseaux intelligents plus efficaces et plus sains. En ce qui concerne les questions sur la qualité de l’énergie, des solutions actives et passives ont été proposées dont certaines font déjà face à une large propagation dans l’industrie. Les récents développements de dispositifs multitâches qui peuvent résoudre plusieurs questions de la qualité d’énergie simultanément, sont axés sur des filtres actifs hybrides ou des UPQC. Ces appareils polyvalents règlent à la fois les problèmes liés à la qualité de la tension ainsi que ceux liés à la qualité du courant tiré par les charges linéaires et non-linéaires. Et donc, ils améliorent de manière significative les problèmes de qualité de l'alimentation, tels que les distorsions, les creux, les surtensions, et le déséquilibre de la tension et ainsi assurent une alimentation constante et fiable à la charge. D'autre part, elles peuvent compenser les problèmes actuels des charges linéaires et non linéaires, tels que les harmoniques de courant, les déséquilibres, le courant de neutre, et la puissance réactive. Parmi ces différentes solutions, le filtre hybride actif série (HSeAF) est parmi les compensateurs polyvalents les plus robustes et efficaces. Sans sa partie passive, la partie active pourrait fonctionner pour corriger les problèmes de tension (appelée DVR). Un HSeAF conventionnelle dédié pour le système triphasé est composé de trois transformateurs d’isolation reliés à un convertisseur triphasé qui partage un bus DC commun. L’appareil opère comme une source de tension variable et de manière similaire mais duale à un filtre actif parallèle. Un filtre passif parallèle ajusté aux fréquences des harmoniques est installé pour produire un chemin alternatif pour les harmoniques du courant de la charge et ainsi permet une réduction considérable des distorsions de la tension aux bornes de la charge. En raison de la complexité et de la mise en oeuvre des filtres séries, ces derniers n’ont pas reçu le succès que leurs confrères parallèles dans l’industrie. Donc, la présente thèse de doctorat est basée sur la philosophie de l'utilisation optimale des ressources disponibles de manière la plus efficace pour améliorer l'efficacité du filtrage série. Ce travail de recherche propose une stratégie de commande pour les systèmes triphasés dans lesquels la tension aux bornes de la charge et le courant tiré du réseau sont considérés pour compensation. Ceci, résulte à une meilleure utilisation de ressources physiques disponibles pour la réalisation du filtre actif série, la réduction du dimensionnement du filtre passif parallèle et finalement la réduction du coût de production. Cette thèse introduit également une nouvelle topologie sans transformateur, dans laquelle la configuration à trois phases est divisée en trois modules séparés. Cette nouvelle technologie permet d’aborder la qualité de l’énergie des systèmes monophasés, biphasés, et triphasés avec trois ou quatre fils. Ce filtre hybride sans transformateur (THSeAF) est d'abord implanté pour un système monophasé où une commande appropriée a été développée en conséquence pour assurer un fonctionnement adéquat dans un système avec un faible profil de qualité. La notion THSeAF-monophasée est validée avec succès par des simulations numériques ainsi que des implémentations temps-réel en laboratoire. Les résultats expérimentaux démontrent pour les essais en laboratoire avec des charges non linéaires très polluées, les formes d’ondes du courant tiré du réseau sont sinusoïdales avec un facteur de puissance unitaire. Par ailleurs, la performance du THSeAF a également été évaluée quand la tension du réseau est polluée avec des harmoniques ou quand ce dernier subit des sous- ou surtensions. Suite au succès de cette configuration sans transformateur, le concept a été intégré pour l’amélioration de la qualité de l'alimentation d’un réseau de distribution triphasée. La commande développée précédemment pour application dans le HSeAF a été modifiée pour être compatible avec le THSeAF triphasée pour rendre le point de raccordement (PCC) plus intelligent et décentraliser le contrôle du réseau de distribution. Cette solution abordable accroît l'efficacité et la stabilité des systèmes d'énergie modernes et aide à une plus forte pénétration des énergies renouvelables. Les simulations démontrent que le THSeAF triphasé est capable de résoudre les problèmes liés à la tension ainsi que ceux liés au courant de la charge simultanément et ainsi améliorer la qualité de l’énergie. Les résultats expérimentaux effectués sur un prototype temps-réel en laboratoire ont validé avec succès la configuration proposée.

Date	3 mars 2016
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Kamal Al-Haddad (Directeur(-trice))