S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.0. P LAN 30/03/ F ILTRE P ASSIF P RINCIPE

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1 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.0. P LAN 30/03/2018 1 4.1 F ILTRE P ASSIF 4.1.1. P RINCIPE 4.1.2. I NDUCTANCE A NTI - HARMONIQUE 4.1.3. F ILTRE R ÉSONANT 4.1.4. F ILTRE A MORTI 4.1.5. A VANTAGES E T I NCONVÉNIENTS 4.2. F ILTRE A CTIF 4.2.1. P RINCIPE 4.2.2. F ILTRE A CTIF S ÉRIE 4.2.3. F ILTRE A CTIF P ARALLÈLE 4.2.4. C ONDITIONNEUR U NIVERSEL D E Q UALITÉ D’ ONDE 4.2.5. F ILTRE H YBRIDE S ÉRIE 4.2.6. F ILTRE H YBRIDE P ARALLÈLE 4.3. C OMPARAISON E NTRE F ILTRE P ASSIF E T F ILTRE A CTIF

2 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.1. P RINCIPE 30/03/2018 2 Le principe du filtrage passif est de modifier localement l'impédance du réseau afin de faire dévier les courants harmoniques et d’éliminer les tensions harmoniques résultantes. Ces filtres sont composés d'éléments capacitifs et inductifs qui sont disposés de manière à obtenir une résonance série sur une fréquence déterminée. Les différents types de filtres passifs peuvent être classifiés selon leur emplacement, leur mode de connexion au circuit principal, leur degré d’amortissement ainsi que les fréquences de leurs résonances. Généralement, on distingue un filtre shunt et un filtre série. Mais, pour des performances égales, un filtre shunt est beaucoup moins cher qu'un filtre série. Ainsi, l'étude de filtres passifs s’intéresse exclusivement au type shunt (filtres parallèles) dont les différents types rencontrés sont: i)l'inductance anti-harmonique, ii)ii) le filtre résonant, iii) iii) le filtre amorti.

3 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.2. I NDUCTANCE A NTI -H ARMONIQUE 30/03/2018 3 Cette solution consiste à installer une inductance en série avec les condensateurs de compensation sur chaque branche monophasée. Ce type de filtre a pour objectif de protéger les batteries de condensateurs d'une surintensité due aux harmoniques. Il a en outre pour effet de réduire les tensions harmoniques aux bornes de ces condensateurs. Il permet souvent de réduire les valeurs d'impédance harmonique du réseau, vues du point d’injection au voisinage de la fréquence d'accord et donc les tensions harmoniques sur le réseau.

4 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.3. F ILTRE R ÉSONANT 30/03/2018 4 Un filtre résonant a pour objectif de présenter une impédance très faible au passage d'un courant harmonique à un rang déterminé. Le facteur de qualité d'un filtre résonant étant élevé, l'accord du filtre est donc très pointu. Plusieurs filtres résonants correspondant aux différents rangs harmoniques à filtrer, sont souvent installés, en parallèle. La puissance réactive nécessaire pour l'installation est répartie entre condensateurs des différents filtres, ce qui nécessite une étude fine du profil de charge de l'installation. Les filtres résonants présentent l'inconvénient d'être sensibles aux variations de l'inductance (dues à la qualité de réalisation) ou de la capacité (dues au vieillissement ou à la température), ce qui entraîne un désaccord de l'ensemble.

5 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.4. F ILTRE A MORTI (1/2) 30/03/2018 5 On distingue trois types de filtres amortis : (a) Filtre amorti de premier ordre, (b) Filtre amorti de second ordre ou (c) Filtre amorti de troisième ordre. Le filtre de 1 er ordre exige une grande capacité et présente une perte de puissance excessive à la fréquence fondamentale. Tous les deux sont en général conçus avec un faible facteur de qualité Fq compris entre 0,7 et 1,4. Un filtre amorti de second ordre est utilisé lorsque les performances demandées ne sont pas élevées pour filtrer simultanément les plus hautes fréquences du spectre; c'est un filtre passe-haut de deuxième ordre. En pratique, il est courant de mettre en œuvre : - Des filtres résonants accordés sur les premiers rangs harmoniques (rangs 5 et 7) où les injections de courant sont importantes. - Un filtre amorti pour limiter l'impédance harmonique sur le reste du spectre (rangs> 11).

6 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.4. F ILTRE A MORTI (2/2) 30/03/2018 6 a) Filtre amorti 1 er ordre b) filtre amorti 2 nd ordre c) filtre amorti 3 ème ordre Filtres amortis Passes-Haut Installation d’un filtre amorti

7 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.1. F ILTRAGE P ASSIF 4.1.5. A VANTAGES E T I NCONVÉNIENTS 30/03/2018 7 Le filtrage passif a fait ses preuves dans le milieu industriel grâce à son coût faible, son efficacité et son adaptation pour des réseaux de forte puissance. cependant;, il présente les inconvénients suivants : - La présence sur un même réseau de 2 filtres passifs accordés sur un rang égal, mais pratiquement différent, provoque entre eux la circulation de courants harmoniques très importants qui peut provoquer rapidement leur destruction. - La mise en parallèle d'un filtre anti-harmonique et d'une batterie de condensateurs provoque une contrainte pouvant amener la destruction des condensateurs. - Lorsqu'il y’a plusieurs rangs harmoniques à filtrer, il est nécessaire de mettre autant de filtres accordés sur les rangs correspondants. - L'implantation de filtres passifs sur un réseau nécessite une étude poussée et précise. (or il n'est pas toujours possible de connaître tous les paramètres d’un grand réseau). - L'amortissement de la résonance dans les systèmes de puissance par les filtres passifs peut introduire des résonances additionnelles indésirables pouvant conduire à la destruction de ces filtres. L'amortissement utilisant la commande et l'électronique de puissance est une solution qui améliore efficacement le mode opératoire du réseau.

8 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.1. P RINCIPE 30/03/2018 8 Les filtres actifs (FA) sont composés d'onduleurs. Alimenté par une source de courant ou de tension continue, l'onduleur peut délivrer un courant ou une tension dont le contenu harmonique dépend uniquement de la loi de commande de commutation des interrupteurs. Les FA agissent donc comme des sources de tension ou de courant harmoniques en opposition de phase avec ceux du réseau afin de rétablir un courant de source quasi sinusoïdal. Le FA peut être connecté au réseau en série ou en parallèle, suivant qu'il est conçu pour compenser les tensions ou les courants harmoniques. Les FA peuvent être classifies à partir de leurs différentes topologies : en série, en parallèle ou mixtes.

9 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.2. F ILTRE A CTIF S ÉRIE 30/03/2018 9 Le filtre actif série (FAS) est placé en série entre la source et la charge non linéaire pour forcer le courant de la source à être sinusoïdal. Cette approche est basée sur le principe d'isoler les harmoniques par le contrôle de la tension de sortie du FAS. En d'autres mots, le FAS présente une impédance élevée au courant harmonique, ce qui isole ces courants les empêchant ainsi d'aller vers la source ou vers la charge. Il se comporte donc, comme une source de tension contrôlable. Le FAS est surtout utilisé pour filtrer les harmoniques générés par les charges de tensions harmoniques.

10 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.3. F ILTRE A CTIF P ARALLÈLE 30/03/2018 10 Contrairement au FAS, le filtre actif parallèle (FAP) est surtout utilisé pour éliminer les courants harmoniques engendrés par les charges génératrices de courants harmoniques. Il peut cependant, dans certaines conditions, être utilisé pour compenser la puissance réactive (STATCOM), pour amortir les résonances parallèle ou série dues à l'interaction entre la ligne et le filtre passif et pour balancer des courants déséquilibrés. Le FAP est un onduleur modulé en largeur d'impulsion (MLI) qui est placé en parallèle avec la charge dans le but d'injecter un courant harmonique de même amplitude et de phase opposée que celui de la charge. Le FAP agit comme une source de courant harmonique réglable.

11 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.4. C ONDITIONNEUR U NIVERSEL DE LA Q UALITÉ D' ONDE 30/03/2018 11 La combinaison d'un filtre actif série et d'un filtre actif parallèle se nomme conditionneur universel de la qualité d'onde (UPQC), de son origine « Unified Power Quality Conditionner ». Cette structure permet d'aller chercher plusieurs fonctions simultanément servant à améliorer la qualité de la tension (compensation d'harmoniques, de puissance réactive, régulation et stabilisation de tension, etc.). Le FAS a pour principales fonctions d'isoler les harmoniques entre la source et la charge polluante, de compenser la puissance réactive et les tensions déséquilibrées. Le rôle du FAP est d'absorber les courants harmoniques, de compenser la puissance réactive, de compenser les courants de séquence négative et de faire la régulation de la capacité du côté CC entre les deux filtres actifs.

12 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.5. F ILTRE A CTIF H YBRIDE S ÉRIE 30/03/2018 12 Une filtre hybride est l'association d'un FA avec un FP. Le rôle du FA est de maintenir et d'améliorer les performances de filtrage en fonction de l'évolution de la charge et du réseau, tandis que le FP s'occupe de la compensation d'une bonne partie des harmoniques. Plusieurs combinaisons de filtres hybrides sont possibles. Le filtre hybride série est composé d'un FAS et d'un FPP. Le FAS est utilisé pour éliminer les problèmes (comme la résonance et l'influence de l'impédance de source) engendrés par le FPP et améliorer les performances de compensation. Le FPP a pour rôle de dévier les courants harmoniques par sa capacité de modifier localement l'impédance du réseau.

13 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.2. F ILTRAGE A CTIF 4.2.6. F ILTRE A CTIF H YBRIDE P ARALLÈLE 30/03/2018 13 Dans cette topologie, le filtre passif parallèle (FPP) est davantage approprié pour la compensation d'harmoniques de faible rang (5 ème et 7 ème rangs par exemple). Pour ce qui est du FAP, il est davantage approprié pour la compensation des harmoniques de rang élevé. Donc, lors de la conception de ce type de filtre, il est important de bien faire le partage de compensation entre les deux filtres. En outre, le FAP peut être utilisé pour éliminer la résonance entre l'impédance de source et le FPP. Le FAP agit dans ce cas comme une résistance variable qui amortit les harmoniques.

14 S39 : Q UALITÉ DE L ’É NERGIE É LECTRIQUE C HAPITRE IV : F ILTRAGE DES H ARMONIQUES 4.3. C OMPARAISON E NTRE L E F ILTRE P ASSIF E T L E F ILTRE A CTIF 30/03/2018 14 CaractéristiquesFiltre PassifFiltre Actif