FR3126078A1 - Active power compensation device with fast switching structure - Google Patents
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Abstract
L’invention concerne un dispositif de compensation (7) de courant du type filtre actif parallèle apte à être connecté à au moins un élément de stockage d’énergie capacitif (3), et à un point de raccordement (C) entre un réseau électrique donné (1) et des charges (2) électriques non linéaires et linéaires, caractérisé en ce que le dispositif de compensation de courant (7) présente : une unité de conversion (8) de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension (9) à commutation rapide ; une unité de filtrage (10) de sortie, comportant un filtre (11) de sortie, connecté à l’onduleur (9), et en parallèle au point de raccordement ; le filtre de sortie est un filtre de premier ordre de type inductance L ; une unité de contrôle-commande (12) comprenant une unité de calcul (25) de courants de référence, les courants de référence comprenant : au moins un courant perturbateur non actif destiné à être injecté au point de raccordement (C) en opposition de phase, les perturbations du signal générées par les charges non linéaires et linéaires (2), et à la fréquence fondamentale au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3). Figure 5bThe invention relates to a current compensation device (7) of the parallel active filter type capable of being connected to at least one capacitive energy storage element (3), and to a connection point (C) between an electrical network given (1) and non-linear and linear electrical loads (2), characterized in that the current compensation device (7) has: a power conversion unit (8), comprising at least one power inverter with voltage (9) fast switching; an output filter unit (10), having an output filter (11), connected to the inverter (9), and in parallel to the connection point; the output filter is an L-inductance type first-order filter; a control-command unit (12) comprising a unit for calculating reference currents (25), the reference currents comprising: at least one non-active disturbing current intended to be injected at the connection point (C) in phase opposition , the signal disturbances generated by the nonlinear and linear loads (2), and at the fundamental frequency at least one active current for recharging the capacitive energy storage element (3). Figure 5b
Description
DOMAINE TECHNIQUE GÉNÉRAL ET ART ANTÉRIEURGENERAL TECHNICAL FIELD AND PRIOR ART
L’invention concerne le domaine général de l’électronique de puissance et de ses applications sur les réseaux électriques de distribution ou embarqués, les bâtiments intelligents et les micro-réseaux, et plus particulièrement des modules de filtrage et de compensation des réseaux électriques et à injection de puissance d’origines renouvelables.The invention relates to the general field of power electronics and its applications on electrical distribution or on-board networks, intelligent buildings and micro-networks, and more particularly to filtering and compensation modules for electrical networks and to injection of power from renewable sources.
Il est bien connu que la qualité du signal électrique délivré par le réseau de distribution a une conséquence directe sur les performances des systèmes alimentés par ce réseau, ainsi que sur la durée de vie des équipements électriques qui constituent le réseau ou qui y sont raccordés.It is well known that the quality of the electrical signal delivered by the distribution network has a direct consequence on the performance of the systems supplied by this network, as well as on the life of the electrical equipment which constitutes the network or which is connected to it.
Notamment, la distorsion harmonique, le déphasage entre la tension et l’intensité, soit le réactif, ainsi que le déséquilibre des courants et tensions sont des facteurs permettant d’exprimer la qualité de l’énergie transitant dans ce réseau.In particular, the harmonic distortion, the phase shift between the voltage and the intensity, i.e. the reactive, as well as the imbalance of the currents and voltages are factors allowing the quality of the energy passing through this network to be expressed.
Il est entendu par « déséquilibre » une différence dans les grandeurs physiques du signal entre les différentes phases et/ou amplitudes, par exemple des niveaux de tension, d’intensité.The term “imbalance” is understood to mean a difference in the physical magnitudes of the signal between the different phases and/or amplitudes, for example voltage levels, intensity.
Le taux de distorsion harmonique est une mesure de la linéarité du traitement du signal, effectuée en comparant le signal en sortie d'un appareil à un signal d'entrée sinusoïdal.Harmonic distortion is a measure of signal processing linearity, made by comparing a device's output signal to a sinusoidal input signal.
La non-linéarité du système déforme cette sinusoïde. Le signal de sortie reste un signal périodique qui peut s'analyser en une somme de sinusoïdes de fréquences multiples de celle donnant la période, appelée fréquence fondamentale.The non-linearity of the system deforms this sinusoid. The output signal remains a periodic signal which can be analyzed as a sum of sinusoids of frequencies that are multiples of that giving the period, called the fundamental frequency.
Chacune de ces sinusoïdes est un harmonique de rang égal au quotient de sa fréquence par la fréquence fondamentale. Le taux de distorsion harmonique est le rapport des valeurs efficaces entre la fréquence fondamentale et les autres.Each of these sinusoids is a harmonic of rank equal to the quotient of its frequency by the fundamental frequency. The harmonic distortion rate is the ratio of effective values between the fundamental frequency and the others.
Un appareil comportant des charges non linéaires connecté à un réseau électrique reçoit une puissance du réseau électrique et réinjecte un signal dans le réseau, le signal réinjecté dans le réseau étant dégradé par le fonctionnement de l’appareil.A device comprising non-linear loads connected to an electrical network receives power from the electrical network and reinjects a signal into the network, the signal reinjected into the network being degraded by the operation of the device.
Il est entendu par « charge non linéaire » une charge à base de composants d’électronique de puissance, ou autres, consommant sur le système d'alimentation de la puissance active (avec ou sans puissance réactive) et réinjectée au réseau d’alimentation de la puissance déformante (liée aux harmoniques). Ces harmoniques peuvent être à rangs conventionnels (5, 7, 11, 13, etc.) pour les systèmes d’alimentation à 3 fils : charges non linéaires triphasées (largement répandues dans les zones industrielles). Dans le cas des charges non linéaires monophasées installées dans un système d’alimentation à 4 fils (3 phases et le neutre), largement employées dans les zones résidentielles, commerciales ou administratives, des harmoniques de rang 3 et leurs multiples impairs (3, 9, 15, etc.) vont circuler dans ce réseau en plus des harmoniques conventionnels.“Non-linear load” means a load based on power electronic components, or others, consuming active power on the supply system (with or without reactive power) and reinjected into the power supply network of the distorting power (related to harmonics). These harmonics can be of conventional ranks (5, 7, 11, 13, etc.) for 3-wire power systems: three-phase non-linear loads (widespread in industrial areas). In the case of single-phase non-linear loads installed in a 4-wire power system (3 phases and the neutral), widely used in residential, commercial or administrative areas, third-order harmonics and their odd multiples (3, 9 , 15, etc.) will circulate in this network in addition to the conventional harmonics.
D’autre part, le déphasage entre la tension et l’intensité du signal implique l’apparition d’une puissance réactive qui entraîne, entre autres, la diminution de la puissance active transmissible dans le réseau.On the other hand, the phase shift between the voltage and the intensity of the signal implies the appearance of a reactive power which leads, among other things, to the reduction of the active power transmissible in the network.
Le développement des technologies de production d’énergie, notamment d’origine renouvelable, a entraîné l’apparition de nombreuses unités de production individuelles, notamment dans les solutions d’habitations dites à autoconsommation ou à énergie positive.The development of energy production technologies, particularly from renewable sources, has led to the appearance of many individual production units, particularly in so-called self-consumption or positive energy housing solutions.
Lorsqu’une unité de production de puissance, notamment dans le cas d’énergies renouvelables de type solaire ou éolien, est connectée au réseau, il est nécessaire de recourir à un ou plusieurs onduleurs ou redresseurs-onduleurs, afin de gérer et convertir la puissance générée par l’unité en courant continu et tension continue en signal alternatif, avant de l’injecter dans le réseau.When a power production unit, in particular in the case of renewable energies of the solar or wind type, is connected to the network, it is necessary to use one or more inverters or rectifier-inverters, in order to manage and convert the power generated by the unit in direct current and direct voltage in alternating signal, before injecting it into the network.
Les onduleurs sont constitués le plus souvent d'interrupteurs/composants d’électronique de puissance commandés à l’ouverture et à la fermeture et bidirectionnels, tels que les composants "classiques" en silicium comme les IGBT (IGBT, de l’anglaisInsulated Gate Bipolar Transistorou transistor bipolaire à grille isolée), les MOSFET (MOSFET, de l’anglaisMetal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), les GTO (GTO, de l’anglaisGate Turn-off Thyristorou thyristor à extinction par la gâchette) et récemment les composants rapides (à fréquence de commutation rapide). Les plus connus de ces derniers sont les interrupteurs d’électronique de puissance en carbure de silicium SiC, (SiC, de l’anglaisSilicon carbide) et en nitrure de gallium GaN (GaN, de l’anglaisGallium nitride). Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée (généralement une modulation de largeur d'impulsion), la source est modulée afin d'obtenir un signal alternatif de la fréquence désirée.Inverters most often consist of switches/power electronic components controlled on opening and closing and bidirectional, such as "classic" silicon components such as IGBTs (IGBTs, from English Insulated Gate Bipolar Transistor or Insulated Gate Bipolar Transistor), MOSFETs (MOSFET, from English Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ), GTO (GTO, from English Gate Turn-off Thyristor or thyristor with extinction by the trigger) and recently the fast components (with fast switching frequency). The best known of these are power electronics switches made of silicon carbide SiC, (SiC, from English Silicon carbide ) and gallium nitride GaN (GaN, from English Gallium nitride ). By a set of appropriately controlled switchings (usually pulse width modulation), the source is modulated to obtain an AC signal of the desired frequency.
Les fréquences de commutation des composants d’électronique de puissance des onduleurs induisent généralement des composantes harmoniques à hautes fréquences dans le signal injecté dans le réseau, ce qui dégrade la qualité du signal transitant dans le réseau.The switching frequencies of the power electronics components of inverters generally induce high-frequency harmonic components in the signal injected into the network, which degrades the quality of the signal passing through the network.
Dans un ensemble tel que représenté en
Ainsi, les harmoniques à hautes fréquences du signal causés par la commutation de l’onduleur 4, ne sont pas transmis via le filtre 5 au réseau 1 ; seul le signal souhaité est généré par l’onduleur et injecté au réseau 1 ou à la charge 2.Thus, the high frequency harmonics of the signal caused by the switching of the inverter 4, are not transmitted via the filter 5 to the network 1; only the desired signal is generated by the inverter and injected into grid 1 or load 2.
Un filtre de premier ordre composé d’une simple inductance de résistance interne pratiquement négligeable (appelé par la suite L-Classique), tel que représenté en
En effet, plus l’inductance d’un tel filtre est élevée, plus la capacité du filtre à empêcher les composantes dues à la commutation d’être injectées sur le réseau 1 est élevée. Cependant, plus l’inductance est élevée, plus la vitesse de variation de l’intensité transitant dans le filtre est réduite et plus le filtre va occasionner un déphasage/retard entre l’intensité réelle souhaitée et l’intensité à injecter à l’ensemble réseau 1 – charge 2 via le filtre 5.Indeed, the higher the inductance of such a filter, the higher the capacity of the filter to prevent the components due to switching from being injected into network 1. However, the higher the inductance, the lower the rate of variation of the intensity passing through the filter and the more the filter will cause a phase shift/delay between the desired real intensity and the intensity to be injected into the assembly. network 1 – load 2 via filter 5.
Inversement, une valeur faible de l’inductance permet à la majorité des composantes dues à la commutation d’être injectée dans le réseau et par conséquent d’affecter les installations et les équipements électriques.Conversely, a low value of the inductance allows the majority of the components due to the switching to be injected into the network and consequently to affect the installations and the electrical equipment.
Le bon dimensionnement du filtre de sortie du premier ordre dépendra donc du compromis à trouver entre la dynamique et l’efficacité du dispositif à base de l’onduleur à composants classiques en silicium (appelé par la suite Ond-Classique), surtout quand il fonctionne en tant que filtre actif parallèle à dépollution harmonique.The correct sizing of the first-order output filter will therefore depend on the compromise to be found between the dynamics and the efficiency of the device based on the inverter with conventional silicon components (hereinafter called Ond-Classique), especially when it operates. as an active parallel filter with harmonic depollution.
Ce compromis est très difficile à fixer sans l’emploi d’un filtre passif auxiliaire 6 installé à la sortie du filtre 5 de sortie ou en amont du côté réseau, pour filtrer les composantes à hautes fréquences tel que représenté en
Cependant, ce filtre auxiliaire 6 peut causer des effets secondaires non désirés, comme la résonance avec d’autres éléments passifs installés sur le réseau électrique 1.However, this auxiliary filter 6 can cause unwanted side effects, such as resonance with other passive elements installed on the electrical network 1.
Ces phénomènes de résonance électrique entraînent dans certains cas des pics de tension ou d’intensité, largement supérieurs aux valeurs admissibles par les appareils connectés au réseau et provoquent la destruction de ces appareils.These electrical resonance phenomena in some cases lead to voltage or current peaks, well above the values permitted by the devices connected to the network and cause the destruction of these devices.
Ce filtre auxiliaire occasionne également une consommation de puissance active par sa résistance d’amortissement. De plus, la qualité de filtrage de ces filtres auxiliaires se dégrade avec le temps à cause du vieillissement de ses éléments passifs.This auxiliary filter also causes active power consumption through its damping resistor. In addition, the filtering quality of these auxiliary filters deteriorates over time due to the aging of its passive elements.
Une deuxième structure du filtre est un filtre de sortie de troisième ordre de type LCL associé à un onduleur à composants classiques en silicium (Ond-Classique). Ce filtre, facile à dimensionner, est une alternative au filtre de premier ordre (L-Classique) lourd, volumineux et coûteux et difficile à dimensionner. Ce filtre se compose de deux inductances (Lf1, Lf2dont la somme est dix à vingt fois inférieure de L-Classique) de résistances internes respectives (Rf1, Rf2) et d’une capacité Cfavec une petite résistance d’amortissement Rf(voir la
Il est à noter que (Ls, Rset es) représentent respectivement l’inductance, la résistance ainsi que la force électromotrice du réseau électrique en amont.It should be noted that (L s , R s and e s ) represent respectively the inductance, the resistance as well as the electromotive force of the electrical network upstream.
Ce type de filtre, grâce au degré de liberté supplémentaire fourni par la capacité Cf, permet d’échapper aux problèmes évoqués précédemment dans le cas du filtre de sortie de premier ordre.This type of filter, thanks to the additional degree of freedom provided by the capacitor C f , makes it possible to avoid the problems mentioned above in the case of the first-order output filter.
En effet, la présence du condensateur Cfpermet de réduire les valeurs des selfs des deux inductances d’une façon significative (un rapport de 10 voire plus, suivant la fréquence de commutation de Ond-Classique, par rapport à L-Classique, peut être réalisé). Dans ce cas, les composantes dues à la fréquence de commutation sont bloquées du côté onduleur, sans ralentir la dynamique globale du système.Indeed, the presence of the capacitor C f makes it possible to reduce the values of the chokes of the two inductors significantly (a ratio of 10 or even more, depending on the switching frequency of Ond-Classic, compared to L-Classic, can be done). In this case, the components due to the switching frequency are blocked on the inverter side, without slowing down the overall dynamics of the system.
Cependant, l’onduleur doit injecter au réseau électrique à la fois des composantes fondamentales (réactive et déséquilibrée) et harmoniques, ce qui implique une maîtrise totale d'une très large bande passante de fréquence.However, the inverter must inject both fundamental (reactive and unbalanced) and harmonic components into the electrical network, which implies total control of a very wide frequency bandwidth.
Lors de l’utilisation du filtre LCL associé aux contrôleurs linéaires, un déphasage important, entre les courants perturbateurs identifiés causés par les charges polluantes, et ceux compensateurs injectés au réseau par l’onduleur, dégrade la qualité de filtrage harmonique et limite, par conséquent, l'applicabilité du compensateur actif. En effet, le déphasage augmente avec la fréquence harmonique et avec l’ordre du filtre de sortie.When using the LCL filter associated with linear controllers, a significant phase shift, between the identified disturbing currents caused by the polluting loads, and those compensators injected into the network by the inverter, degrades the quality of harmonic filtering and limits, consequently , the applicability of the active compensator. Indeed, the phase shift increases with the harmonic frequency and with the order of the output filter.
L’alternative pour surmonter ce problème de déphasage, rencontré lors de l’emploi d’un filtre LCL (connecté à la sortie d’un onduleur à composants classiques Ond-Classique) associé à un contrôleur linéaire, est la commande non linéaire.The alternative to overcome this problem of phase shift, encountered when using an LCL filter (connected to the output of an inverter with classic Ond-Classic components) associated with a linear controller, is nonlinear control.
Dans le document WO 2020/007884, la méthode de contrôle par mode glissant (SMC pour «Sliding Mode Control »en anglais) a été employée, pour assurer une réponse dynamique souhaitée (sans déphasage), une forte robustesse/insensibilité aux perturbations bornées ainsi que des bonnes propriétés de contrôle dans une large gamme de conditions de fonctionnement. Cependant, le contrôleur SMC classique génère une commande, à fréquence très élevée (appeléeChattering), dite discontinue, appliquée aux composants de l’onduleur, qui peut entraîner une surchauffe qui pourrait aller jusqu’à la destruction de l'onduleur. Dans le document WO 2020/007884, il a été employé un SMC classique (avec fonction Signe) à commande continue. En effet, afin d'éviter une commande discontinue, causée par un SMC classique, il a été sélectionné cinq contrôleurs par mode glissant :In document WO 2020/007884, the sliding mode control method (SMC for “ Sliding Mode Control” in English) was used, to ensure a desired dynamic response (without phase shift), high robustness/insensitivity to bounded disturbances as well as good control properties over a wide range of operating conditions. However, the classic SMC controller generates a command, at very high frequency (called Chattering ), called discontinuous, applied to the components of the inverter, which can cause overheating which could lead to the destruction of the inverter. In document WO 2020/007884, a conventional SMC (with Sign function) with continuous control was used. Indeed, in order to avoid a discontinuous command, caused by a classic SMC, five controllers were selected by sliding mode:
- le premier est associé à une fonction Signe approximée en fonction sigmoïde avec une surface de glissement de deuxième ordre ;the first is associated with a Sign function approximated as a sigmoid function with a second-order sliding surface;
- le deuxième est avec une méthode appelée AIRD (une augmentation artificielle du degré relatif, suivie par un intégrateur, en anglais : « an Artificial Increase Relative Degree, followed by an integrator ») ;the second is with a method called AIRD (an artificial increase in relative degree, followed by an integrator);
- de plus, trois autres contrôleurs non linéaires à base de la méthode de mode glissant d’ordre supérieur sont aussi employés. Il s’agit de l’algorithme de contrôle de mode glissant de deuxième ordre 2-SMC Twisting et 2-SMC super-Twisting ainsi que l’algorithme de contrôle de mode glissant d’ordre supérieur continu C-HOSMC.in addition, three other nonlinear controllers based on the higher-order sliding mode method are also employed. These are 2-SMC Twisting and 2-SMC super-Twisting second-order sliding mode control algorithm as well as C-HOSMC continuous higher-order sliding mode control algorithm.
Néanmoins, ces contrôleurs non-linéaires sont très sophistiqués et assez complexes à gérer et impliquent l’emploi d’un calculateur assez puissant. De plus, la maîtrise de l’antirésonance entre le filtre LCL et le réseau, malgré la solution proposée dans le document WO 2020/007884, reste un point dont les industriels sont sceptiques.Nevertheless, these non-linear controllers are very sophisticated and quite complex to manage and involve the use of a fairly powerful computer. In addition, the control of antiresonance between the LCL filter and the network, despite the solution proposed in document WO 2020/007884, remains a point of which manufacturers are skeptical.
PRÉSENTATION GÉNÉRALE DE L’INVENTIONGENERAL PRESENTATION OF THE INVENTION
Un des buts de l’invention est de « dépolluer » le courant consommé par une charge non linéaire, en annulant, du côté réseau, son contenu harmonique, le contenu déséquilibré ainsi que le contenu réactif du courant, dans l’objectif d’améliorer la qualité de la tension du côté réseau électrique. Cette invention, ayant une structure à 4 fils, est adaptée au spectre harmonique contenant les rangs conventionnels (5, 7, 11, 13, etc.) des zones industrielles ainsi que ceux du rang 3 et leurs multiples impairs (3, 9, 15, etc.) des zones résidentielles, commerciales ou administratives.One of the aims of the invention is to "clean up" the current consumed by a non-linear load, by canceling, on the network side, its harmonic content, the unbalanced content as well as the reactive content of the current, with the aim of improving the quality of the voltage on the grid side. This invention, having a 4-wire structure, is adapted to the harmonic spectrum containing the conventional ranks (5, 7, 11, 13, etc.) of industrial areas as well as those of rank 3 and their odd multiples (3, 9, 15 , etc.) residential, commercial or administrative areas.
Un autre but est de maximiser la puissance active productible par une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 des Figures 1a, 1b.Another goal is to maximize the active power producible by a renewable energy generation power unit 100 of Figures 1a, 1b.
Un autre but est d’optimiser la consommation d’énergie d’un bâtiment intelligent.Another goal is to optimize the energy consumption of a smart building.
Un autre but est d’optimiser la production énergétique d’une unité de production d’énergie conventionnelle (à origine fossile : pétrole, gaz, etc.) au sein d’un micro-réseau.Another goal is to optimize the energy production of a conventional energy production unit (of fossil origin: oil, gas, etc.) within a micro-grid.
Un autre but est d’optimiser la gestion de l’énergie transitant entre les unités de production (renouvelable et conventionnelle) et les unités de consommation.Another goal is to optimize the management of energy transiting between production units (renewable and conventional) and consumption units.
La structure proposée est capable d’éviter :The proposed structure is able to avoid:
a- l’emploi d’un structure d’onduleur à deux niveaux de tension facile à fabriquer, à commander et à entretenir, mais associé à un filtre de sortie du premier ordre lourd, cher, volumineux et très difficile à concevoir ;a- the use of an inverter structure with two voltage levels that is easy to manufacture, control and maintain, but associated with a first-order output filter that is heavy, expensive, bulky and very difficult to design;
b- l’emploi d’une nouvelle structure d’onduleur autre que celle à deux niveaux de tension ;b- the use of a new inverter structure other than that with two voltage levels;
c- le problème de déphasage entre les courants perturbateurs identifiés et ceux injectés au réseau dû au filtre de de type LCL associé à un contrôleur linéaire ;c- the problem of phase shift between the disturbing currents identified and those injected into the network due to the LCL type filter associated with a linear controller;
f- le problème de résonance causé par l’emploi du filtre LCL ;f- the resonance problem caused by the use of the LCL filter;
e- le problème destructif lié au « chattering » de l’onduleur lors de l’emploi d’une commande non-linéaire classique ;e- the destructive problem linked to the "chattering" of the inverter when using a conventional non-linear control;
f- l’emploi d’un filtre de sortie LCL associé à une commande non-linéaire avancée mais compliquée à concevoir.f- the use of an LCL output filter associated with an advanced but complicated to design non-linear control.
La solution proposée dans l’invention consiste à augmenter suffisamment la fréquence de commutation de l'onduleur, permettant ainsi l'utilisation d'un simple filtre de sortie du premier ordre (avec des contraintes minimales), et par conséquent à simplifier la méthode de contrôle du courant de l'onduleur. En effet, une augmentation suffisante de la fréquence de commutation de l'onduleur limite les contraintes imposées au filtre de sortie, et une simple inductance devient ainsi capable d'empêcher la propagation des composantes de la fréquence de commutation de l'onduleur vers le côté réseau, sans affecter la dynamique globale du système.The solution proposed in the invention consists in sufficiently increasing the switching frequency of the inverter, thus allowing the use of a simple first-order output filter (with minimal constraints), and consequently in simplifying the method of inverter current control. Indeed, a sufficient increase in the switching frequency of the inverter limits the constraints imposed on the output filter, and a simple inductor thus becomes able to prevent the propagation of the components of the switching frequency of the inverter towards the side. network, without affecting the overall dynamics of the system.
Pour atteindre cet objectif, des onduleurs à base de composants d’électronique de puissance à commutations rapides (en anglais « High Switching Frequency »), par exemple les SiC en carbure de silicium et les GaN en nitrure de gallium (transistors), sont proposés dans la présente invention.To achieve this objective, inverters based on fast-switching power electronic components (in English “High Switching Frequency”), for example SiC in silicon carbide and GaN in gallium nitride (transistors), are proposed. in the present invention.
Profitant d’une fréquence de commutation très élevée, une inductance à valeur très réduite (quelques centaines de micro-Henry, par exemple 200 micro-henry), peut être utilisée pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur sans dégrader la dynamique du dispositif.Taking advantage of a very high switching frequency, a very low value inductance (a few hundred micro-Henry, for example 200 micro-Henry), can be used to block the harmonic components due to the switching of the inverter without degrading the dynamics of the device.
Le filtre de sortie utilisé dans la présente invention est un filtre de premier ordre de type inductance L, évitant la résonance entre un filtre LCL et le réseau des dispositifs de l’état de l’art, et au moins 10 fois inférieure, et avantageusement au moins 20 fois inférieure à l’inductance d’un filtre de premier ordre connecté en sortie à un onduleur à composants d’électronique de puissance en silicium des dispositifs de l’état de l’art.The output filter used in the present invention is a first-order filter of inductance L type, avoiding resonance between an LCL filter and the network of state-of-the-art devices, and at least 10 times lower, and advantageously at least 20 times lower than the inductance of a first-order filter connected at the output to an inverter with silicon power electronics components of state-of-the-art devices.
Ainsi, afin d’y parvenir, tout en proposant la structure la plus fiable, efficace économique et facile à mettre en œuvre, l’invention propose, selon un premier aspect, un dispositif de compensation de courant du type filtre actif parallèle, apte à être connecté :Thus, in order to achieve this, while proposing the most reliable, efficient, economical and easy-to-implement structure, the invention proposes, according to a first aspect, a current compensation device of the parallel active filter type, capable of to be connected :
- à son entrée, en aval d’au moins un élément de stockage d’énergie capacitif, etat its input, downstream of at least one capacitive energy storage element, and
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement entre d’une part un réseau électrique donné, et d’autre part des charges électriques non linéaires et linéaires.in parallel, at its output, upstream at a connection point between a given electrical network on the one hand, and non-linear and linear electrical loads on the other.
Le dispositif de compensation de courant du type filtre actif parallèle est caractérisé en ce qu’il présente :The current compensation device of the parallel active filter type is characterized in that it has:
- une unité de conversion de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension à commutation rapide à composants en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium (GaN) (appelé par la suite Ond-Cr), l’unité de conversion générant un courant alternatif, avec une bande de fréquence allant de 50 à 2500Hz, couvrant toute la bande de fréquences d’un courant perturbateur non actif qui présente : tout ou une partie des harmoniques, et à la fréquence fondamentale tout ou une partie de la puissance réactive et/ou du déséquilibre de courant ;a power conversion unit, comprising at least one power inverter with fast switching voltage structure with silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) components (hereinafter called Ond-Cr), the unit converter generating an alternating current, with a frequency band ranging from 50 to 2500Hz, covering the entire frequency band of a non-active disturbing current which presents: all or part of the harmonics, and at the fundamental frequency all or part reactive power and/or current unbalance;
- une unité de filtrage de sortie, comportant un filtre de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur, et d’autre part en parallèle au point de raccordement entre le réseau électrique donné et les charges électriques non linéaires et linéaires, le filtre de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur ;an output filtering unit, comprising an output filter for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter, and on the other hand in parallel to the connection point between the given electrical network and non-linear and linear electrical loads, the output filter being sized to block harmonic components due to inverter switching;
le filtre de sortie est un filtre de premier ordre de type inductance L, évitant la résonance entre un filtre LCL et le réseau électrique donné, d’une inductance inférieure à 1000μH ;the output filter is a first-order filter of the inductance L type, avoiding resonance between an LCL filter and the given electrical network, with an inductance of less than 1000μH;
- une unité de contrôle-commande comprenant une unité de calcul de courants de référence, les courants de référence comprenant :a control-command unit comprising a unit for calculating reference currents, the reference currents comprising:
- au moins un courant perturbateur non actif destiné à être injecté au point de raccordement en opposition de phase, du côté réseau électrique donné, les perturbations du signal générées par les charges non linéaires et linéaires,at least one non-active disturbing current intended to be injected at the connection point in phase opposition, on the given electrical network side, the signal disturbances generated by the non-linear and linear loads,
présentant tout ou une partie des harmoniques, et à la fréquence fondamentale tout ou une partie du courant réactif et/ou du déséquilibre de courant,exhibiting all or part of the harmonics, and at the fundamental frequency all or part of the reactive current and/or the current unbalance,
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif ;at least one active current for recharging the capacitive energy storage element;
l’unité de contrôle-commande comprenant également un dispositif de pilotage de commutation qui commande la commutation de l’onduleur et qui assure en boucle fermée le contrôle de toute la bande de fréquence de 50 à 2500 Hz pour l’injection par l’onduleur, du courant perturbateur non actif et du courant actif, en fonction de l’identification des courants de référence par l’unité de calcul,the control-command unit also comprising a switching piloting device which controls the switching of the inverter and which provides closed-loop control of the entire frequency band from 50 to 2500 Hz for injection by the inverter , the non-active disturbance current and the active current, depending on the identification of the reference currents by the calculation unit,
la commande de commutation de l’onduleur étant réalisée de manière à laisser passer à travers l’unité de filtrage de sortie au point de raccordement une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant des courants harmoniques, ainsi que des courants réactifs et déséquilibrés à la fréquence fondamentale, dans les charges électriques non linéaires et linéaires,the switching control of the inverter being carried out in such a way as to allow some or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition comprising harmonic currents to pass through the output filtering unit at the connection point, as well as reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in nonlinear and linear electrical loads,
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie non active des charges électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné de ces courants perturbateurs non actifs.to satisfy the demand for non-active energy consumption of non-linear and linear electrical loads, while depolluting the given electrical network from these non-active disturbance currents.
Avantageusement, la fréquence de commutation de l’onduleur est supérieure ou égale à 50 kHz, avantageusement supérieure à 70 kHz, plus avantageusement supérieure à 100 kHz.Advantageously, the switching frequency of the inverter is greater than or equal to 50 kHz, advantageously greater than 70 kHz, more advantageously greater than 100 kHz.
Avantageusement, le filtre de premier ordre de type inductance L présente une valeur inférieure ou égale à 400 μH.Advantageously, the first-order filter of inductance L type has a value less than or equal to 400 μH.
Avantageusement, la fréquence de commutation de l’onduleur est supérieure ou égale à 100 kHz, et le filtre de premier ordre de type inductance L a une valeur inférieure à 200 μH.Advantageously, the switching frequency of the inverter is greater than or equal to 100 kHz, and the first-order filter of inductance type L has a value less than 200 μH.
Avantageusement, la tension en amont de l’onduleur est supérieure à 800 V, et encore plus avantageusement supérieure à 1000 V.Advantageously, the voltage upstream of the inverter is greater than 800 V, and even more advantageously greater than 1000 V.
Avantageusement, le dispositif présente seulement deux niveaux de tension.Advantageously, the device has only two voltage levels.
Avantageusement, le dispositif possède un processeur dit cible numérique d’implémentation pour les calculs contenus dans l’unité de contrôle commande, y compris celui du courant injecté, ayant une fréquence inférieure à 100 MHz, une mémoire flash inférieure à 2 Mb et une RAM inférieure à 2 Mb.Advantageously, the device has a so-called digital implementation target processor for the calculations contained in the control command unit, including that of the injected current, having a frequency of less than 100 MHz, a flash memory of less than 2 Mb and a RAM less than 2 Mb.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande comporte une unité de calcul (lié au contrôle du courant injecté) correspondant au filtre L, moins puissante dans le calcul que l’unité de calcul d’une unité de contrôle-commande associée à un filtre LCL.Advantageously, the control-command unit comprises a calculation unit (linked to the control of the injected current) corresponding to the filter L, less powerful in calculation than the calculation unit of a control-command unit associated with a filter LCL.
Avantageusement, le dispositif fonctionne à une fréquence fondamentale comprise entre 40 et 70 Hz. De préférence, à une fréquence fondamentale conventionnelle entre 50 et 60 Hz.Advantageously, the device operates at a fundamental frequency between 40 and 70 Hz. Preferably, at a conventional fundamental frequency between 50 and 60 Hz.
En outre, la tension nominale du réseau électrique donné selon la présente invention est comprise entre 180 et 480 V. De préférence, la tension nominale du réseau électrique donné est comprise entre 230 et 400V.Furthermore, the nominal voltage of the given electrical network according to the present invention is between 180 and 480 V. Preferably, the nominal voltage of the given electrical network is between 230 and 400 V.
Avantageusement, le dispositif fonctionne à une fréquence fondamentale comprise entre 360 et 800 Hz, avantageusement à 400 Hz et le dispositif fonctionne à une tension nominale du réseau électrique donné comprise entre 115 et 200 V.Advantageously, the device operates at a fundamental frequency comprised between 360 and 800 Hz, advantageously at 400 Hz and the device operates at a nominal voltage of the given electrical network comprised between 115 and 200 V.
Selon un mode de réalisation particulier de l’invention, la fréquence fondamentale est comprise entre 50 et 60Hz et la tension nominale du réseau électrique donné est comprise entre 230 et 400V.According to a particular embodiment of the invention, the fundamental frequency is between 50 and 60Hz and the nominal voltage of the given electrical network is between 230 and 400V.
Avantageusement, la tension nominale est une tension composée.Advantageously, the nominal voltage is a phase-to-phase voltage.
Avantageusement, l’élément de stockage d’énergie capacitif est connecté en amont à une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, l’unité de conversion générant un courant alternatif, avec une bande de fréquence allant de 50 à 2500Hz, couvrant en plus le courant actif maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, l’unité de filtrage laisse passer le courant actif correspondant au point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges électriques non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif.Advantageously, the capacitive energy storage element is connected upstream to a renewable energy generation power unit, the conversion unit generating an alternating current, with a frequency band ranging from 50 to 2500 Hz, covering in plus the maximum active current generated by the renewable energy generation power unit, the filter unit passes the active current corresponding to the maximum power point available within the renewable energy generation power unit , to satisfy the active power consumption demand of non-linear and linear electric loads, while ensuring the recharging of the capacitive energy storage element.
Avantageusement, le dispositif de pilotage de commutation commande la commutation de l’onduleur, par un contrôleur qui est :Advantageously, the switching control device controls the switching of the inverter, by a controller which is:
- non linéaire par mode glissant continu de premier ordre ou d’ordre supérieur, ou- nonlinear by first-order or higher-order continuous sliding mode, or
- linéaire et tient compte du déphasage entre le courant de référence et le courant injecté.- linear and takes into account the phase difference between the reference current and the injected current.
Dans certaines mises en œuvre, l’unité de calcul des courants de référence, comporte une unité de boucle de verrouillage de phase avancée, qui extrait, en plus de l’angle fourni par une unité de verrouillage de phase conventionnelle, l’amplitude de la composante directe de la tension au point de raccordement du réseau électrique donné.In some implementations, the reference currents calculation unit includes an advanced phase-locked loop unit, which extracts, in addition to the angle provided by a conventional phase-locked unit, the amplitude of the direct component of the voltage at the connection point of the given electrical network.
Dans certaines mises en œuvre, la commande de commutation de l’onduleur est réalisée telle qu’une partie du courant actif, dans le réseau électrique donné dépourvu des courants perturbateurs non actifs, passe au travers l’unité de filtrage de sortie, lorsque la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable est supérieure à la puissance consommée par les charges électriques non linéaires et linéaires.In some implementations, the switching control of the inverter is made such that part of the active current, in the given electrical network devoid of non-active disturbance currents, passes through the output filter unit, when the output of the renewable energy generating power unit is greater than the power consumed by the non-linear and linear electrical loads.
Dans certaines mises en œuvre, l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable est couplée sans hacheur, ni autres dispositifs d’électronique de puissance à l’élément de stockage d’énergie capacitif.In some implementations, the renewable energy generating power unit is coupled without a chopper or other power electronics devices to the capacitive energy storage element.
Dans certaines mises en œuvre, l’unité de contrôle-commande comporte :In some implementations, the control-command unit comprises:
- un hacheur configuré pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie de l’onduleur, indépendamment du niveau de tension de la source d’énergie renouvelable pour assurer un filtrage harmonique inchangé,- a chopper configured to maintain a constant predefined DC voltage at the terminals of the energy storage element of the inverter, independently of the voltage level of the renewable energy source to ensure unchanged harmonic filtering,
- un hacheur pour assurer la gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie capacitif,- a chopper to manage the charge/discharge of a battery bank or other capacitive energy storage systems,
- un double hacheur pour le cas d’un réseau électrique îlot.- a double chopper for the case of an island electrical network.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande comporte l’un des deux contrôleurs suivants :Advantageously, the control-command unit comprises one of the following two controllers:
- un contrôleur à mode glissant continu de 1er ordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ; ou- a 1st order continuous sliding mode controller with an approximated sign function in Sigmoid function; Or
- un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam.- an improved RSTam type linear controller.
Avantageusement, le dispositif de pilotage de commutation comporte un dispositif de modulation de largeur d’impulsion (MLI), dans lequel la commande est modulée, afin de faire fonctionner l’onduleur à une fréquence de commutation fixe et adaptée à la commutation rapide des composants d’électronique de puissance constituant l’onduleur.Advantageously, the switching control device comprises a pulse-width modulation (PWM) device, in which the command is modulated, in order to make the inverter operate at a fixed switching frequency and adapted to the fast switching of the components. of power electronics constituting the inverter.
Dans certaines mises en œuvre, l’unité de contrôle-commande comporte un régulateur de type PI, avec une sortie qui représente la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, pour réguler la tension continue de l’élément de stockage d’énergie capacitif tout en assurant une poursuite du point de puissance active maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, le dispositif de compensation comportant une boucle de régulation de la tension continue aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif qui fournit à la sortie du régulateur la puissance maximale, la tension aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif étant égale à la tension de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable.In some implementations, the control unit includes a PI type regulator, with an output that represents the maximum power of the renewable energy generation power unit, to regulate the DC voltage of the element capacitive energy storage while ensuring tracking of the maximum active power point of the renewable energy generation power unit, the compensation device comprising a DC voltage regulation loop across the terminals of the capacitive energy storage which supplies the output of the regulator with the maximum power, the voltage across the capacitive energy storage element being equal to the voltage of the maximum power of the energy generating power unit renewable.
Avantageusement, le dispositif comprend une unité de calcul des courants de référence configurée pour déterminer le courant perturbateur non actif circulant dans la charge, et une unité de calcul des courants de référence configurée pour calculer, en se basant uniquement sur la puissance, la tension du point de puissance active maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, l’unité de calcul de référence délivrant, les courants non actifs/perturbateurs de l’unité et/ou le courant actif maximal issu de l’unité et du régulateur, qui assure à sa sortie la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable.Advantageously, the device comprises a unit for calculating reference currents configured to determine the non-active disturbing current flowing in the load, and a unit for calculating reference currents configured to calculate, based solely on the power, the voltage of the maximum active power point of the renewable energy generation power unit, the reference calculation unit delivering, the non-active/disturbance currents of the unit and/or the maximum active current from the unit and of the regulator, which ensures at its output the maximum power of the power unit with renewable energy generation.
Avantageusement, la commutation rapide améliore la dynamique globale du filtre actif ce qui améliore, par conséquent, la qualité de filtrage. La tension en amont (du côté onduleur Ond-Cr) atteint des valeurs plus élevées, avantageusement supérieures à 800 V (plus avantageusement, supérieures à 1000V) contre 800 V maximum pour les onduleurs classiques en silicium Ond-Classique fonctionnant, pour la même puissance commutée, à une fréquence de commutation de 16 kHz et avec une efficacité de 95%. Cette augmentation de tension continue améliore la dynamique du filtre actif et par conséquent la qualité de filtrage.Advantageously, the fast switching improves the overall dynamics of the active filter which consequently improves the filtering quality. The upstream voltage (on the Ond-Cr inverter side) reaches higher values, advantageously greater than 800 V (more advantageously, greater than 1000V) against 800 V maximum for conventional Ond-Classic silicon inverters operating, for the same power switched, at a switching frequency of 16 kHz and with an efficiency of 95%. This DC voltage increase improves the dynamics of the active filter and therefore the filtering quality.
De plus, le filtre de sortie de premier ordre est composé d’une simple inductance de contraintes minimales, appelé par la suite L-Ond-Cr.Moreover, the first-order output filter is composed of a simple inductor of minimum stresses, subsequently called L-Ond-Cr.
Le dispositif selon la présente invention présente l’avantage d’être léger, économique et très facile à dimensionner en comparaison aux filtres L-classiques de l’état de la technique, notamment grâce au filtre de sortie de premier ordre associé à l’ondulateur à commutation rapide.The device according to the present invention has the advantage of being light, economical and very easy to dimension compared to the L-classical filters of the state of the art, in particular thanks to the first-order output filter associated with the undulator. fast switching.
Selon un autre aspect, l’invention propose un dispositif de compensation de courant du type filtre actif parallèle apte à être connecté :According to another aspect, the invention proposes a current compensation device of the parallel active filter type capable of being connected:
- à son entrée, en aval d’au moins une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable couplée à un élément de stockage d’énergie capacitif, etat its input, downstream of at least one renewable energy generation power unit coupled to a capacitive energy storage element, and
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement C entre d’une part un réseau électrique donné, et d’autre part des charges électriques non linéaires et linéaires,in parallel, at its output, upstream at a connection point C between, on the one hand, a given electrical network, and, on the other hand, non-linear and linear electrical loads,
le dispositif de compensation de courant présentant :the current compensation device having:
- une unité de conversion de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension à commutation rapide à composants en carbure de silicium SiC ou en nitrure de gallium GaN,a power conversion unit, comprising at least one fast-switching voltage structure power inverter with silicon carbide SiC or gallium nitride GaN components,
l’unité de conversion générant un courant alternatif à la fréquence 50Hz, couvrant le courant actif maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable ;the conversion unit generating an alternating current at the frequency of 50Hz, covering the maximum active current generated by the renewable energy generation power unit;
- une unité de filtrage de sortie, comportant un filtre de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur, et d’autre part en parallèle au point de raccordement C entre le réseau électrique donné et les charges électriques non linéaires et linéaires, le filtre de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur ;an output filtering unit, comprising an output filter for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter, and on the other hand in parallel to the connection point C between the electrical network given and the non-linear and linear electrical loads, the output filter being dimensioned to block the harmonic components due to the switching of the inverter;
le filtre de sortie est un filtre de premier ordre de type inductance L, évitant la résonance entre un filtre LCL et le réseau électrique donné, et une inductance inférieure à 1000μH, avantageusement inférieure à 400μH, plus avantageusement inférieure à 200μH en fonction de la fréquence de commutation rapide ;the output filter is an L-inductance type first-order filter, avoiding resonance between an LCL filter and the given electrical network, and an inductance of less than 1000μH, preferably less than 400μH, more preferably less than 200μH depending on the frequency fast switching;
- une unité de contrôle-commande comprenant une unité de calcul de courants de référence, les courants de référence comprenant :a control-command unit comprising a unit for calculating reference currents, the reference currents comprising:
- au moins un courant actif correspondant à un point de puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable ;at least one active current corresponding to a maximum power point of the renewable energy generation power unit;
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif,at least one active current for recharging the capacitive energy storage element,
- avantageusement : au moins un courant généré par les charges non linéaires et linéaires,advantageously: at least one current generated by the non-linear and linear loads,
présentant à la fréquence fondamentale tout ou une partie du courant réactif et/ou du déséquilibre de courant,presenting all or part of the reactive current and/or the current unbalance at the fundamental frequency,
l’unité de contrôle-commande comprenant également :the control-command unit also comprising:
- un contrôleur à mode glissant continu de 1er ordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ; ou un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam.- a 1st order continuous sliding mode controller with an approximated sign function in Sigmoid function; or an improved linear controller of the RST am type.
- un dispositif de pilotage de commutation qui commande la commutation de l’onduleur et qui assure en boucle fermée le contrôle à la fréquence fondamentale 50 Hz pour l’injection par l’onduleur, du courant actif et du courant perturbateur non actif (réactif et déséquilibré), en fonction de l’identification des courants de référence par l’unité de calcul,- a switching control device which controls the switching of the inverter and which provides closed-loop control at the fundamental frequency of 50 Hz for the injection by the inverter of the active current and the non-active disturbing current (reactive and unbalanced), depending on the identification of the reference currents by the calculation unit,
- un régulateur de type PI, qui assure à sa sortie la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable,- a PI type regulator, which ensures at its output the maximum power of the renewable energy generation power unit,
la commande de commutation de l’onduleur étant réalisée de manière à laisser passer à travers l’unité de filtrage de sortie au point de raccordement C, un courant actif correspondant à un point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges électriques non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif ;the switching control of the inverter being carried out in such a way as to let pass through the output filtering unit at the connection point C, an active current corresponding to a point of maximum power available within the power unit at generation of renewable energy, to satisfy the active energy consumption demand of the non-linear and linear electric loads, while ensuring the recharging of the capacitive energy storage element;
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie réactive des charges électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné de ces courants perturbateurs non actifs.to satisfy the demand for reactive energy consumption of non-linear and linear electrical loads, while decontaminating the given electrical network of these non-active disturbing currents.
Avantageusement, la commande de commutation de l’onduleur étant réalisée de manière à laisser passer aussi à travers l’unité de filtrage de sortie au point de raccordement C, une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant des courants réactifs et déséquilibrés à la fréquence fondamentale, dans les charges électriques non linéaires et linéaires.Advantageously, the switching control of the inverter being carried out in such a way as to also let pass through the output filtering unit at the connection point C, some or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition comprising reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in nonlinear and linear electrical loads.
Avantageusement, dans le dispositif de compensation, pour un onduleur à deux niveaux de tension, la fréquence de commutation de l’onduleur est supérieure à 50kHz, avantageusement supérieure à 60kHz, avantageusement supérieure à 70kHz et encore plus avantageusement supérieure à 80kHz, et encore plus avantageusement supérieure à 100 kHz.Advantageously, in the compensation device, for an inverter with two voltage levels, the switching frequency of the inverter is greater than 50 kHz, advantageously greater than 60 kHz, advantageously greater than 70 kHz and even more advantageously greater than 80 kHz, and even more advantageously greater than 100 kHz.
Avantageusement, le filtre de premier ordre de type inductance L présente une valeur inférieure à 400 μH, et la fréquence de commutation est supérieure ou égale à 50 kHz.Advantageously, the first-order filter of inductance L type has a value of less than 400 μH, and the switching frequency is greater than or equal to 50 kHz.
Avantageusement, la tension en amont de l’onduleur est supérieure à 800V, et encore plus avantageusement supérieure à 1000V.Advantageously, the voltage upstream of the inverter is greater than 800V, and even more advantageously greater than 1000V.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande comporte une unité de calcul correspondant au filtre L, moins puissante dans le calcul que l’unité de calcul d’une unité de contrôle-commande associée à un filtre LCL.Advantageously, the control-command unit comprises a calculation unit corresponding to the filter L, less powerful in calculation than the calculation unit of a control-command unit associated with an LCL filter.
Avantageusement, l’unité de calcul est une cible numérique d’implémentation correspondant à l’unité de contrôle de courant injecté associée au filtre L.Advantageously, the calculation unit is a digital implementation target corresponding to the injected current control unit associated with the filter L.
Avantageusement, l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable est aussi couplée sans hacheur, ni autres dispositifs d’électronique de puissance à l’élément de stockage d’énergie capacitif.Advantageously, the renewable energy generation power unit is also coupled without a chopper or other power electronic devices to the capacitive energy storage element.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande comporte :Advantageously, the control-command unit comprises:
- un hacheur configuré pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie de l’onduleur, indépendamment du niveau de tension de la source d’énergie renouvelable pour assurer un filtrage harmonique inchangé,- a chopper configured to maintain a constant predefined DC voltage at the terminals of the energy storage element of the inverter, independently of the voltage level of the renewable energy source to ensure unchanged harmonic filtering,
- un hacheur pour assurer la gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie,- a chopper to manage the charge/discharge of a battery bank or other energy storage systems,
- un double hacheur pour le cas d’un réseau électrique îlot.- a double chopper for the case of an island electrical network.
Selon un autre aspect, l’invention propose un système électrique comprenant un réseau électrique donné, des charges non linéaires/linéaires, et un dispositif de compensation tel que présenté ci-dessus.According to another aspect, the invention proposes an electrical system comprising a given electrical network, non-linear/linear loads, and a compensation device as presented above.
Optionnellement mais avantageusement, le système selon l’invention peut présenter les caractères suivants, pris seuls ou en combinaison :Optionally but advantageously, the system according to the invention may have the following characteristics, taken alone or in combination:
-
l’unité de production de puissance à génération d’énergie renouvelable est :
- choisie parmi la liste suivante : un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, éolienne(s), pile(s) à combustible, ou autres
- couplée, directement à un élément de stockage d’énergie en cas d’une production continue, ou via un redresseur de puissance alternatif/continu en cas d’une production alternative d’origine renouvelable ;
- chosen from the following list: one or more photovoltaic panels, wind turbine(s), fuel cell(s), or other
- coupled directly to an energy storage element in the case of continuous production, or via an AC/DC power rectifier in the case of alternative production from renewable sources;
- l’unité de production de puissance à génération d’énergie renouvelable est couplée sans hacheur ou sans d’autres dispositifs d’électronique de puissance ;the renewable energy generation power production unit is coupled without a chopper or without other power electronic devices;
- le réseau électrique donné est choisi parmi la liste suivante : un réseau électrique principal, un micro-réseau électrique local îloté ou raccordé au réseau électrique principal, ou un réseau électrique embarqué ;the given electrical network is chosen from the following list: a main electrical network, a local electrical micro-grid that is islanded or connected to the main electrical network, or an on-board electrical network;
- le système comporte en outre un bâtiment intelligent, et dans lequel l’unité de contrôle-commande est connectée à une unité de gestion décentralisée du bâtiment intelligent, l’unité de contrôle-commande compare la puissance maximale disponible de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable avec la charge totale du bâtiment intelligent ;the system further comprises an intelligent building, and in which the control-command unit is connected to a decentralized management unit of the intelligent building, the control-command unit compares the maximum available power of the power unit with generation of renewable energy with the total load of the intelligent building;
-
l’unité de contrôle-commande est configurée pour optimiser la consommation des différents appareils fonctionnant au sein de ce bâtiment intelligent en répartissant les charges correspondant aux charges non-linéaires/linéaires selon au moins deux modes de fonctionnement :
- un premier mode de répartition dit mode de consommation adaptée dans lequel l’unité de contrôle-commande pilote l’unité de gestion décentralisée du bâtiment intelligent de manière à adapter la consommation du bâtiment intelligent avec la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable, pour que la courbe de charge totale du bâtiment intelligent présente un facteur de simultanéité maximal correspondant au fonctionnement de toutes les charges utiles du bâtiment en même temps, dans la limite de l’énergie renouvelable produite,
- en cas d’insuffisance de production d’énergie renouvelable, un deuxième mode de répartition dit mode de consommation modulée dans lequel l’unité de contrôle-commande pilote l’unité de gestion décentralisée du bâtiment intelligent de manière à moduler la consommation des appareils du bâtiment intelligent pour tendre à une courbe de charge totale du bâtiment intelligent sensiblement constante en fonction du temps ;
- a first distribution mode called adapted consumption mode in which the control-command unit controls the decentralized management unit of the intelligent building so as to adapt the consumption of the intelligent building with the production of the power generation unit renewable energy, so that the total load curve of the intelligent building has a maximum simultaneity factor corresponding to the operation of all the useful loads of the building at the same time, within the limit of the renewable energy produced,
- in the event of insufficient renewable energy production, a second mode of distribution called modulated consumption mode in which the control-command unit controls the decentralized management unit of the intelligent building so as to modulate the consumption of the devices of the intelligent building to tend to a substantially constant intelligent building total load curve as a function of time;
avantageusement, le premier mode de répartition est prioritaire ;advantageously, the first mode of distribution takes priority;
avantageusement, dans le deuxième mode de répartition, la courbe de charge totale du bâtiment intelligent est adaptée à l’état de génération du réseau électrique donné ;advantageously, in the second distribution mode, the total load curve of the smart building is adapted to the generation state of the given electrical network;
-
le système comporte en outre :
- un réseau local connecté au réseau électrique donné, et
- des unités de production de puissance à origine conventionnelle, et
- un système de gestion semi-décentralisée, et
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable connectées au réseau local, par un dispositif de compensation, chaque dispositif de compensation étant connecté au système de gestion semi-décentralisée auquel il communique des informations concernant la production d’énergie, actuelle et à venir, de chacune des unités de production de puissance à génération d’énergie renouvelable, et
- une pluralité de postes de consommation correspondant aux charges non linéaires/linéaires, chacun des postes de consommation étant connecté au réseau local et équipé par un dispositif de compensation, connecté au système de gestion semi-décentralisée auquel il communique des informations concernant la consommation instantanée et la consommation à venir en fonction du fonctionnement programmé des postes de consommation ;
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable et de charges linéaires et non linéaires des bâtiments intelligents à énergie positive, qui assurent l’autoconsommation et où le surplus éventuel d’énergie est stocké ou échangé avec les autres bâtiments intelligents ou délivré au réseau local via l’unité de contrôle-commande du dispositif de compensation, en coordination avec le système de gestion semi-décentralisée en cas d’échange avec le réseau local ;
- a local network connected to the given electrical network, and
- power generation units of conventional origin, and
- a semi-decentralized management system, and
- a plurality of power units with renewable energy generation connected to the local network, by a compensation device, each compensation device being connected to the semi-decentralized management system to which it communicates information relating to the current energy production and to come, of each of the power production units with renewable energy generation, and
- a plurality of consumption stations corresponding to the non-linear/linear loads, each of the consumption stations being connected to the local network and equipped with a compensation device, connected to the semi-decentralized management system to which it communicates information concerning the instantaneous consumption and future consumption according to the programmed operation of consumption items;
- a plurality of power units generating renewable energy and linear and non-linear loads of positive energy smart buildings, which ensure self-consumption and where any excess energy is stored or exchanged with the other smart buildings or delivered to the local network via the control-command unit of the compensation device, in coordination with the semi-decentralized management system in the event of an exchange with the local network;
- le système de gestion semi-décentralisée est en outre configuré pour assurer la répartition économique de production des unités de production d’énergie conventionnelle ;the semi-decentralized management system is also configured to ensure the economic distribution of production from conventional energy production units;
- le système de gestion semi-décentralisée est en outre configuré pour intervenir quand la demande totale d’énergie au sein du réseau local est supérieure à la production totale, auprès des unités de contrôle décentralisé des bâtiments intelligent, via les unités de contrôle-commande des dispositifs de compensation, pour les faire basculer vers un mode de consommation modulée ;the semi-decentralized management system is also configured to intervene when the total energy demand within the local network is greater than the total production, with the decentralized control units of the intelligent buildings, via the control-command units of the compensation devices, to make them switch to a modulated consumption mode;
- le système de gestion semi-décentralisée est en outre configuré pour piloter la distribution sur le réseau local de la puissance provenant du réseau électrique donné si la production totale estimée ne couvre pas la demande.the semi-decentralized management system is also configured to control the distribution on the local network of the power coming from the given electrical network if the estimated total production does not cover the demand.
PRÉSENTATION DES FIGURESPRESENTATION OF FIGURES
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description, which is purely illustrative and not limiting, and must be read in conjunction with the appended figures in which:
DESCRIPTION D’UN OU PLUSIEURS MODES DE MISE EN ŒUVRE et DE rÉalisationDESCRIPTION OF ONE OR MORE MODES OF IMPLEMENTATION AND REALIZATION
L’invention concerne des systèmes électriques représentés en figures 2-3, comprenant un réseau électrique donné 1 à 3 phases et un neutre, une charge 2 non linéaire ou linéaire ou les deux, connectées au réseau électrique donné 1 ; un élément de stockage d’énergie capacitif 3 ; et un dispositif de compensation 7 connecté d’une part à son entrée, en aval, à l’élément de stockage capacitif 3 et d’autre part en parallèle à sa sortie, en amont à un point de raccordement C situé entre le réseau électrique donné 1 et la charge 2.The invention relates to electrical systems shown in figures 2-3, comprising a given electrical network 1 with 3 phases and a neutral, a load 2 non-linear or linear or both, connected to the given electrical network 1; a capacitive energy storage element 3; and a compensation device 7 connected on the one hand at its input, downstream, to the capacitive storage element 3 and on the other hand in parallel at its output, upstream to a connection point C located between the electrical network given 1 and load 2.
Le dispositif de compensation 7 de courant du type filtre actif est apte à être connecté :The current compensation device 7 of the active filter type is able to be connected:
- à son entrée, en aval d’au moins un élément de stockage d’énergie capacitif 3, etat its input, downstream of at least one capacitive energy storage element 3, and
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement C entre d’une part un réseau électrique donné 1, et d’autre part des charges 2 électriques non linéaires et linéaires.in parallel, at its output, upstream to a connection point C between on the one hand a given electrical network 1, and on the other hand non-linear and linear electrical loads 2.
Le dispositif de compensation 7 présente :The compensation device 7 has:
- une unité de conversion 8 de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension 9 à commutation rapide à composants en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium (GaN), (ou en d’autres matériaux de technologies d’électronique de puissance rapide), l’unité de conversion 8 générant un courant alternatif, avec une bande de fréquence allant de 50 à 2500 Hz, couvrant toute la bande de fréquences d’un courant perturbateur non actif qui présente : tout ou une partie des harmoniques, et à la fréquence fondamentale tout ou une partie de la puissance réactive et/ou du déséquilibre de courant;a power conversion unit 8, comprising at least one fast-switching voltage structure power inverter 9 with components made of silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN), (or other materials of technologies of fast power electronics), the conversion unit 8 generating an alternating current, with a frequency band ranging from 50 to 2500 Hz, covering the entire frequency band of a non-active disturbing current which presents: all or part harmonics, and at the fundamental frequency all or part of the reactive power and/or the current unbalance;
- une unité de filtrage 10 de sortie, comportant un filtre 11 de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur 9, et d’autre part en parallèle au point de raccordement C entre le réseau électrique donné 1 et les charges 2 électriques non linéaires et linéaires, le filtre 11 de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur 9,an output filtering unit 10, comprising an output filter 11 for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter 9, and on the other hand in parallel to the connection point C between the given electrical network 1 and the non-linear and linear electrical loads 2, the output filter 11 being sized to block the harmonic components due to the switching of the inverter 9,
le filtre 11 de sortie est un filtre de premier ordre de type inductance L, évitant la résonance entre un filtre LCL et le réseau électrique donné 1 et une inductance inférieure à 600 μH ;the output filter 11 is a first-order filter of inductance L type, avoiding resonance between an LCL filter and the given electrical network 1 and an inductance of less than 600 μH;
- une unité de contrôle-commande 12 comprenant une unité de calcul 25 de courants de référence, les courants de référence comprenant :a control-command unit 12 comprising a unit 25 for calculating reference currents, the reference currents comprising:
- au moins un courant perturbateur non actif destiné à être injecté au point de raccordement C en opposition de phase, du côté réseau électrique donné 1, les perturbations du signal générées par les charges 2 non linéaires et linéaires,at least one non-active disturbing current intended to be injected at the connection point C in phase opposition, on the given electrical network side 1, the signal disturbances generated by the non-linear and linear loads 2,
présentant tout ou une partie des harmoniques, et à la fréquence fondamentale tout ou une partie du courant réactif et/ou du déséquilibre de courant,exhibiting all or part of the harmonics, and at the fundamental frequency all or part of the reactive current and/or the current unbalance,
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ;at least one active current for recharging the capacitive energy storage element 3;
l’unité de contrôle-commande 12 comprenant également un dispositif de pilotage de commutation 21 qui commande la commutation de l’onduleur 9 et qui assure en boucle fermée le contrôle de toute la bande de fréquence de 50 à 2500 Hz pour l’injection par l’onduleur, du courant perturbateur non actif et du courant actif, en fonction de l’identification des courants de référence par l’unité de calcul 25,the control-command unit 12 also comprising a switching piloting device 21 which controls the switching of the inverter 9 and which provides closed-loop control of the entire frequency band from 50 to 2500 Hz for the injection by the inverter, of the non-active disturbing current and of the active current, according to the identification of the reference currents by the calculation unit 25,
l’unité de contrôle-commande 12 nécessitant une unité de calcul correspondant à un filtre L ;the control-command unit 12 requiring a calculation unit corresponding to a filter L;
la commande de commutation de l’onduleur 9 étant réalisée de manière à laisser passer à travers l’unité de filtrage 10 de sortie au point de raccordement C une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant des courants harmoniques, ainsi que des courants réactifs et déséquilibrés à la fréquence fondamentale, dans les charges 2 électriques non linéaires et linéaires,the switching control of the inverter 9 being carried out in such a way as to allow some or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition including harmonic currents to pass through the output filtering unit 10 at the connection point C , as well as reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in the 2 electrical nonlinear and linear loads,
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie non active des charges 2 électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné 1 de ces courants perturbateurs non actifs.to satisfy the demand for non-active energy consumption of non-linear and linear electrical loads 2, while depolluting the given electrical network 1 from these non-active disturbance currents.
Avantageusement, l’unité de calcul de l’unité de contrôle-commande 12, est adaptée à l’unité de contrôle 23 associée à un filtre L.Advantageously, the calculation unit of the control-command unit 12 is adapted to the control unit 23 associated with a filter L.
Avantageusement, la commande de commutation de l’onduleur 9 et l’unité de filtrage 10 de sortie au point de raccordement C forment un compensateur contre les courants perturbateurs.Advantageously, the switching control of the inverter 9 and the output filtering unit 10 at the connection point C form a compensator against disturbing currents.
Avantageusement, le dispositif possède un processeur dit cible numérique d’implémentation pour les calculs, ayant une fréquence inférieure à 100 MHz, une mémoire flash inférieure à 2 Mb et une RAM inférieure à 2 Mb.Advantageously, the device has a so-called digital implementation target processor for the calculations, having a frequency of less than 100 MHz, a flash memory of less than 2 Mb and a RAM of less than 2 Mb.
L’unité de contrôle-commande 12 comporte un régulateur 62 de type PI, avec une sortie qui représente la puissance délivrée via le réseau électrique donné, nécessaire pour réguler la tension continue de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 autour d’une tension de référence supérieure à 800 V.The control-command unit 12 comprises a PI-type regulator 62, with an output which represents the power delivered via the given electrical network, necessary to regulate the DC voltage of the capacitive energy storage element 3 around a reference voltage greater than 800 V.
Avantageusement, le dispositif de compensation 7 est équipé d’un onduleur à commutation rapide 9 Ond-Cr et un filtre 11 de sortie de type L Ond-Cr, pouvant fonctionner, suivant les courants de référence fournis par l’unité de calcul 25, en tant que filtre actif parallèle, pour assurer le filtrage de la totalité ou d’une partie des harmoniques, tout en offrant la possibilité de compenser la totalité ou une partie de la puissance réactive et/ou du courant déséquilibré.Advantageously, the compensation device 7 is equipped with a fast-switching inverter 9 Ond-Cr and an L-type output filter 11 Ond-Cr, which can operate, according to the reference currents supplied by the calculation unit 25, as a parallel active filter, to ensure the filtering of all or part of the harmonics, while offering the possibility of compensating all or part of the reactive power and/or unbalanced current.
Avantageusement, l’inductance du filtre 11 de sortie est inférieure à 1000 μH, avantageusement comprise entre 10 μH et 800 μH, l’inductance du filtre 11 de sortie est telle que l’inductance soit au moins 10 fois inférieure à l’inductance classique d’un filtre de premier ordre connecté en sortie à un onduleur à composants classiques en silicium.Advantageously, the inductance of the output filter 11 is less than 1000 μH, advantageously between 10 μH and 800 μH, the inductance of the output filter 11 is such that the inductance is at least 10 times lower than the conventional inductance a first-order filter connected at the output to an inverter with conventional silicon components.
Ainsi, l’inductance peut se situer entre 50 et 1000 μH, avantageusement entre 100 et 600μH, plus avantageusement entre 100 et 400 μH, plus avantageusement encore entre 100 et 200μH en fonction de la fréquence de commutation rapide supérieure à 50kHz, avantageusement supérieure à 70kHz, encore plus avantageusement supérieure à 100kHz.Thus, the inductance can be between 50 and 1000 μH, advantageously between 100 and 600 μH, more advantageously between 100 and 400 μH, even more advantageously between 100 and 200 μH depending on the fast switching frequency greater than 50 kHz, advantageously greater than 70kHz, even more advantageously greater than 100kHz.
Plus la fréquence de commutation est grande et plus l’inductance peut être petite, dans la limite physique et technologique des composants.The higher the switching frequency, the smaller the inductance can be, within the physical and technological limit of the components.
Par exemple, l’inductance du filtre de sortie peut être choisie parmi la liste suivante : 50μH, 55μH, 60μH, 65μH, 70μH, 75μH, 80μH, 85μH, 90μH, 95μH, 100μH, 105μH, 110μH, 115μH, 120μH, 125μH, 130μH, 135μH, 140μH, 145μH, 150μH, 155μH, 160μH, 165μH, 170μH, 175μH, 180μH, 185μH, 190μH, 195μH, 200μH, 205μH, 210μH, 215μH, 220μH, 225μH, 230μH, 235μH, 240μH, 245μH, 250μH, 255μH, 260μH, 265μH, 270μH, 275μH, 280μH, 285μH, 290μH, 295μH, 300μH, 305μH, 310μH, 315μH, 320μH, 325μH, 330μH, 335μH, 340μH, 345μH, 350μH, 355μH, 360μH, 365μH, 370μH, 375μH, 380μH, 385μH, 390μH, 395μH, 400μH, 405μH, 410μH, 415μH, 420μH, 425μH, 430μH, 435μH, 440μH, 445μH, 450μH, 455μH, 460μH, 465μH, 470μH, 475μH, 480μH, 485μH, 490μH, 495μH, 500μH, 505μH, 510μH, 515μH, 520μH, 525μH, 530μH, 535μH, 540μH, 545μH, 550μH, 555μH, 560μH, 565μH, 570μH, 575μH, 580μH, 585μH, 590μH, 595μH, 600μH, 605μH, 610μH, 615μH, 620μH, 625μH, 630μH, 635μH, 640μH, 645μH, 650μH, 655μH, 660μH, 665μH, 670μH, 675μH, 680μH, 685μH, 690μH, 695μH, 700μH, 705μH, 710μH, 715μH, 720μH, 725μH, 730μH, 735μH, 740μH, 745μH, 750μH, 755μH, 760μH, 765μH, 770μH, 775μH, 780μH, 785μH, 790μH, 795μH, 800μH, 805μH, 810μH, 815μH, 820μH, 825μH, 830μH, 835μH, 840μH, 845μH, 850μH, 855μH, 860μH, 865μH, 870μH, 875μH, 880μH, 885μH, 890μH, 895μH, 900μH, 905μH, 910μH, 915μH, 920μH, 925μH, 930μH, 935μH, 940μH, 945μH, 950μH, 955μH, 960μH, 965μH, 970μH, 975μH, 980μH, 985μH, 990μH, 995μH, 1000μH.For example, the output filter inductance can be chosen from the following list: 50μH, 55μH, 60μH, 65μH, 70μH, 75μH, 80μH, 85μH, 90μH, 95μH, 100μH, 105μH, 110μH, 115μ5μH, 1.12μH, 1.12μH 130μH, 135μH, 140μH, 145μH, 150μH, 155μH, 160μH, 165μH, 170μH, 175μH, 180μH, 185μH, 190μH, 195μH, 200μH, 205μH, 210μH, 215μH, 220μH, 225μH, 230μH, 235μH, 245μH 255μH, 260μH, 265μH, 270μH, 275μH, 280μH, 285μH, 290μH, 295μH, 300μH, 305μH, 310μH, 315μH, 320μH, 325μH, 330μH, 335μH, 340μH, 345μH, 350μH, 365μH, 365μH 380μH, 385μH, 390μH, 395μH, 400μH, 405μH, 410μH, 415μH, 420μH, 425μH, 430μH, 435μH, 440μH, 445μH, 450μH, 455μH, 460μH, 465μH, 470μH, 480μH 505μH, 510μH, 515μH, 520μH, 525μH, 530μH, 535μH, 540μH, 545μH, 550μH, 555μH, 560μH, 565μH, 570μH, 575μH, 580μH, 585μH, 590μH, 595μH, 600μH 705 μH, 710μH, 715μH, 720μH, 725μH, 730μH, 735μH, 740μH, 745μH, 750μH, 755μH, 760μH, 765μH, 770μH, 775μH, 780μH, 785μH, 790μH, 795μH, 800μH, 815μH 830μH, 835μH, 840μH, 845μH, 850μH, 855μH, 860μH, 865μH, 870μH, 875μH, 880μH, 885μH, 890μH, 895μH, 900μH, 905μH, 915μH, 915μH, 920μH, 925μH, 940μh, 955μH, 960μH, 965μH, 970μH, 975μH, 980μH, 985μH, 990μH, 995μH, 1000μH.
Le dispositif de compensation 7 peut être connecté à un système possédant une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.The compensation device 7 can be connected to a system having a renewable energy generation power unit 100.
Avantageusement, l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 est connectée en aval à l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, c’est-à-dire que l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 se situe en amont dans la structure, et que la sortie (l’aval) de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 est connecté à l’entrée de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3.Advantageously, the renewable energy generation power unit 100 is connected downstream to the capacitive energy storage element 3, that is to say that the renewable energy generation power unit 100 is located upstream in the structure, and that the output (downstream) of the renewable energy generation power unit 100 is connected to the input of the capacitive energy storage element 3.
L’unité de contrôle commande 12 est en outre configurée pour détecter le point de puissance maximale MPPT (de l’anglaisMaximum Power Point Tracking) d’une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et générer, via l’onduleur 9, le courant actif correspondant à cette puissance maximale ; la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 est égale, dans ce cas, à la tension de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.The command control unit 12 is further configured to detect the maximum power point MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) of a renewable energy generation power unit 100 and to generate, via the inverter 9 , the active current corresponding to this maximum power; the voltage V dc across the terminals of the capacitive energy storage element 3 is equal, in this case, to the voltage of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100.
L’unité de conversion 8 génère un courant alternatif, avec une bande de fréquence allant de 50 à 2500 Hz, couvrant en plus le courant actif maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.The conversion unit 8 generates alternating current, with a frequency band ranging from 50 to 2500 Hz, additionally covering the maximum active current generated by the renewable energy generation power unit 100.
L’unité de filtrage 10 laisse passer le courant actif correspondant au point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges 2 électriques non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3.The filter unit 10 passes the active current corresponding to the maximum power point available within the renewable energy generation power unit 100, to satisfy the demand for active energy consumption of the non-linear electrical loads 2 and linear, while ensuring the recharging of the capacitive energy storage element 3.
L’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 est couplée sans hacheur, ni autres dispositifs d’électronique de puissance à l’élément de stockage d’énergie capacitif 3.The renewable energy generation power unit 100 is coupled without a chopper or other power electronic devices to the capacitive energy storage element 3.
Dans un mode de réalisation, le dispositif fonctionne en tant que filtre actif parallèle, le dispositif dans ce cas injecte uniquement les courants non actifs pour le filtrage harmonique, avec la possibilité de compenser de la puissance réactive et du déséquilibre du courant.In one embodiment, the device operates as a parallel active filter, the device in this case only injects non-active currents for harmonic filtering, with the possibility of compensating for reactive power and current imbalance.
Dans ce mode de réalisation, le fonctionnement en système d’énergie renouvelable peut être une option.In this embodiment, operation as a renewable energy system may be an option.
Dans ce mode de réalisation, avantageusement, une option de gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie peut être assurée.In this embodiment, advantageously, a charge/discharge management option for a battery bank or other energy storage systems can be provided.
Dans un mode de réalisation possible, le dispositif assure les deux modes de fonctionnement précédents : injectant la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, tout en assurant le filtrage harmonique avec la possibilité de compenser la puissance réactive et/ou le déséquilibre du courant.In one possible embodiment, the device provides the two previous operating modes: injecting the maximum power of the renewable energy generation power unit 100, while providing harmonic filtering with the possibility of compensating the reactive power and /or current imbalance.
Dans ce mode de réalisation, une option de gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie peut être assurée.In this embodiment, a charge/discharge management option for a battery bank or other energy storage systems can be provided.
L’unité de conversion 8 de puissanceThe 8 Power Conversion Unit
L’unité de conversion 8 de puissance comporte, tel que représenté en figures 2c et 3b, l’onduleur 9 Ond-Cr à commutation rapide à 3 phases et un neutre qui présente une structure à deux niveaux de tension.The power conversion unit 8 comprises, as represented in FIGS. 2c and 3b, the Ond-Cr inverter 9 with rapid switching with 3 phases and a neutral which has a structure with two voltage levels.
L’onduleur 9 Ond-Cr est à composant SiC ou GaN ou d’autres technologies de fréquence de commutation supérieure à 50 kHz ; avantageusement supérieure à 80 kHz (suivant la technologie des composants et son évolution), pour gagner en dynamique (en rapidité), ce qui permet d’atteindre un rendement élevé pour un onduleur largement moins volumineux avec une bonne évacuation de la chaleur ainsi qu’une meilleure fiabilité, en comparaison avec un onduleur à composants classiques en silicium Ond-Classique. D’ailleurs, la commutation rapide améliore la dynamique globale du filtre actif ce qui améliore, par conséquent, la qualité de filtrage. De plus, l’emploi des composants à commutation rapide permet de monter la tension du côté DC de l’onduleur supérieure à 800 V ; avantageusement supérieure à 1000 V, ce qui améliore aussi la dynamique du dispositif et par conséquent la qualité de filtrage.The 9 Ond-Cr inverter is based on SiC or GaN components or other technologies with a switching frequency greater than 50 kHz; advantageously higher than 80 kHz (depending on the technology of the components and its evolution), to gain in dynamics (in speed), which makes it possible to achieve high efficiency for a much less bulky inverter with good heat evacuation as well as better reliability, compared to an inverter with conventional Ond-Classic silicon components. Moreover, the fast switching improves the global dynamics of the active filter which improves, consequently, the quality of filtering. In addition, the use of fast switching components makes it possible to raise the voltage on the DC side of the inverter to more than 800 V; advantageously greater than 1000 V, which also improves the dynamic range of the device and consequently the filtering quality.
L’onduleur 9, à 4 fils et à 4 bras, comporte pour chacun des 4 bras, deux dispositifs de commutation 13 et 14 connectés chacun d’une part à une borne de sortie de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 et d’autre part à un point de connexion commun A auquel un des 4 fils est également connecté.The inverter 9, with 4 wires and 4 arms, comprises for each of the 4 arms, two switching devices 13 and 14 each connected on the one hand to an output terminal of the capacitive energy storage element 3 and on the other hand to a common connection point A to which one of the 4 wires is also connected.
Ce point de connexion A situé, pour chaque bras, entre le premier dispositif de commutation 13 et le deuxième dispositif de commutation 14 forme un point de connexion d’un des 4 fils de l’onduleur 9 connecté à l’autre extrémité l’unité de filtrage 10 dont la sortie est connectée au point de raccordement C.This connection point A located, for each arm, between the first switching device 13 and the second switching device 14 forms a connection point for one of the 4 wires of the inverter 9 connected to the other end of the unit filter 10 whose output is connected to connection point C.
Chaque dispositif de commutation 13, 14 est composé d’un interrupteur d’électronique de puissance D, commandable à l’ouverture et à la fermeture (MOSFET SiC, HEMT en GaN ou autres) avec ou sans diode classique ou à commutation rapide en antiparallèle B (fonctionnement bidirectionnel).Each switching device 13, 14 is composed of a power electronics switch D, controllable on opening and on closing (MOSFET SiC, HEMT in GaN or others) with or without conventional diode or with fast switching in antiparallel B (bi-directional operation).
L'onduleur 9 peut posséder une structure de transistor (à SiC ou à GaN) permettant d’atteindre un rendement élevé pour un onduleur largement moins volumineux, avec une bonne évacuation de la chaleur ainsi qu’une meilleure fiabilité en comparaison avec un onduleur à composants classiques en silicium (Ond-Classique : IGBT, MOSFET, GTO).The inverter 9 may have a transistor structure (SiC or GaN) making it possible to achieve high efficiency for an inverter that is much less bulky, with good heat removal as well as better reliability in comparison with an inverter with conventional silicon components (Ond-Classic: IGBT, MOSFET, GTO).
L’onduleur 9 émet, sur chaque fil, un signal présentant une intensité Iinj.The inverter 9 emits, on each wire, a signal having an intensity I inj .
L’onduleur 9 est configuré pour injecter des courants qui couvrent une large bande de fréquence, comprise habituellement entre la fréquence du fondamental, par exemple 50 Hz, jusqu’au rang harmonique 50, présentant dans l’exemple d’un fondamental de 50 Hz une fréquence de 2500 Hz.The inverter 9 is configured to inject currents which cover a wide frequency band, usually between the frequency of the fundamental, for example 50 Hz, up to the harmonic order 50, having in the example a fundamental of 50 Hz a frequency of 2500 Hz.
Avantageusement, l’unité de conversion de puissance 8 possède une structure à composants rapides avec des diodes en antiparallèle.Advantageously, the power conversion unit 8 has a fast component structure with diodes in antiparallel.
L’unité de conversion de puissance 8 peut ne pas présenter des diodes en antiparallèle.The power conversion unit 8 may not have diodes in antiparallel.
L’unité de contrôle-commande 12The control-command unit 12
L’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour commander l’onduleur 9 de manière que l’onduleur 9 génère un signal d’intensité Iinjconfigurée en opposition de phase pour annuler, au point de raccordement C, les perturbations non actives du signal générées par la charge 2 et injectées au réseau électrique donné 1.The control-command unit 12 is configured to control the inverter 9 so that the inverter 9 generates a signal of intensity I inj configured in phase opposition to cancel, at the connection point C, the non-active disturbances of the signal generated by the load 2 and injected into the given electrical network 1.
L’unité de contrôle-commande 12 est en outre configurée pour compenser le déséquilibre du signal transitant dans la charge 2 non linéaire ou linéaire.The control-command unit 12 is further configured to compensate for the imbalance of the signal passing through the non-linear or linear load 2.
Il est entendu par déséquilibre une consommation de courant différente (en amplitude et/ou en phase) en fonction des différentes phases de plusieurs charges 2 monophasées.Imbalance is understood to mean a different current consumption (in amplitude and/or in phase) depending on the different phases of several single-phase 2 loads.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour compenser la puissance réactive consommée dans la charge 2 non linéaire ou linéaire.Advantageously, the control-command unit 12 is configured to compensate for the reactive power consumed in the non-linear or linear load 2.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour filtrer/compenser les harmoniques du signal transitant du côté réseau électrique donné 1.Advantageously, the control-command unit 12 is configured to filter/compensate for the harmonics of the signal transiting on the given electrical network side 1.
L’unité de contrôle-commande 12 est en outre configurée pour réguler (charger et maintenir constante) la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3. La tension Vdc, grâce à l’emploi de l’onduleur Ond-Cr à composants rapide, peut être supérieure à 1000 V, ce qui favorise la dynamique globale du filtre actif. Alors que pour la même puissance de dimensionnement que l’Ond-Cr, des limitations industrielles sont imposées à l’onduleur classique en silicium, en fréquence de commutation à 16 kHz et en tension DC à 800 V pour une efficacité se situant entre 95-97%.The control-command unit 12 is further configured to regulate (charge and maintain constant) the voltage V dc across the terminals of the capacitive energy storage element 3. The voltage V dc , thanks to the use of the fast component Ond-Cr inverter, can be higher than 1000V, which promotes the overall dynamics of the active filter. While for the same sizing power as the Ond-Cr, industrial limitations are imposed on the classic silicon inverter, in switching frequency at 16 kHz and in DC voltage at 800 V for efficiency between 95- 97%.
L’unité de contrôle-commande 12 peut comporter l’un des deux contrôleurs suivants :The control-command unit 12 can include one of the following two controllers:
- un contrôleur à mode glissant continu de 1erordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ; ou- a 1 st order continuous sliding mode controller with an approximated sign function in Sigmoid function; Or
- un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam(contrôleur RSTam).- an improved linear controller of the RST am type (RST am controller).
Avantageusement, le contrôleur RSTameffectue un placement des pôles en boucle fermée, via les polynômes R et S, pour assurer, entre autres, la poursuite habituelle, en amplitude mais aussi un placement des zéros pour assurer la poursuite en phase. En effet, pour le contrôleur RST classique, ainsi que tous les contrôleurs linéaires, le problème de déphasage entre les harmoniques identifiés et ceux injectés par le dispositif 7 dégrade l’aspect poursuite entre ses signaux, en termes de phase, et empêche par conséquent l’applicabilité du dispositif 7 pour le filtrage harmonique.Advantageously, the RST am controller performs a placement of the poles in a closed loop, via the polynomials R and S, to ensure, among other things, the usual tracking, in amplitude, but also a placement of the zeros to ensure the tracking in phase. Indeed, for the classic RST controller, as well as all linear controllers, the problem of phase shift between the identified harmonics and those injected by the device 7 degrades the tracking aspect between its signals, in terms of phase, and consequently prevents the applicability of device 7 for harmonic filtering.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 comporte un régulateur 62 de type PI, avec une sortie qui représente la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, pour réguler la tension continue de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, tout en assurant une poursuite du point de puissance active maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100. Le dispositif de compensation 7 comportant une boucle de régulation de la tension continue aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, qui fournit à la sortie du régulateur 62 la puissance maximale, la tension aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 étant égale à la tension de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.Advantageously, the control-command unit 12 comprises a PI type regulator 62, with an output which represents the maximum power of the renewable energy generation power unit 100, to regulate the DC voltage of the capacitive energy storage 3, while ensuring tracking of the maximum active power point of the renewable energy generation power unit 100. The compensation device 7 comprising a DC voltage regulation loop across the terminals of the capacitive energy storage element 3, which supplies the output of the regulator 62 with the maximum power, the voltage across the terminals of the capacitive energy storage element 3 being equal to the voltage of the maximum power of the unit of power to renewable energy generation 100.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 comporte :Advantageously, the control-command unit 12 comprises:
- un hacheur, configuré pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 de l’onduleur 9, indépendamment du niveau de tension de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 pour assurer un filtrage harmonique inchangé ;- a chopper, configured to maintain a constant predefined DC voltage across the terminals of the capacitive energy storage element 3 of the inverter 9, independently of the voltage level of the renewable energy generation power unit 100 for ensuring unchanged harmonic filtering;
- un hacheur, pour assurer la gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie ;- a chopper, to manage the charge/discharge of a battery bank or other energy storage systems;
- un double hacheur, pour le cas d’un réseau électrique îlot.- a double chopper, for the case of an island electrical network.
L’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour réguler la tension aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ainsi qu’identifier et contrôler le courant injecté, via l’unité de filtrage 10, aux points de raccordement C pour les 4 fils et pour commander l’onduleur 9 pour générer ce courant. L’identification des courants à injecter aux points de raccordement C se fait par l’unité de calcul 25 des courants de références.The control-command unit 12 is configured to regulate the voltage across the terminals of the capacitive energy storage element 3 as well as to identify and control the current injected, via the filter unit 10, at the connection points C for the 4 wires and to control the inverter 9 to generate this current. The identification of the currents to be injected at the connection points C is done by the calculation unit 25 of the reference currents.
Avantageusement, les 4 fils (les trois phases ainsi que le neutre) est piloté de manière similaire et indépendante par l’unité de contrôle-commande 12, qui comporte donc une chaîne de contrôle-commande par fil.Advantageously, the 4 wires (the three phases as well as the neutral) are controlled in a similar and independent manner by the control-command unit 12, which therefore comprises a control-command chain per wire.
Avantageusement, pour commander les dispositifs de commutation 13, 14 d’un bras/fil, l’unité de contrôle-commande 12 comporte deux sorties, l’une connectée au pôle de déclenchement du premier dispositif de commutation 13, l’autre étant connectée au pôle de déclenchement de la deuxième unité de commutation 14. On désigne par bras une partie des dispositifs de commutation 13, 14 comprenant au moins une borne servant de point d’entrée ou de sortie pour le circuit électrique.Advantageously, to control the switching devices 13, 14 of an arm/wire, the control-command unit 12 comprises two outputs, one connected to the trip pole of the first switching device 13, the other being connected to the tripping pole of the second switching unit 14. Arm denotes a part of the switching devices 13, 14 comprising at least one terminal serving as an entry or exit point for the electrical circuit.
Les deux sorties peuvent être connectées conjointement à la sortie d’un comparateur 18 logique, de manière à commander simultanément la commutation des deux dispositifs de commutation 13, 14.The two outputs can be connected jointly to the output of a logic comparator 18, so as to simultaneously control the switching of the two switching devices 13, 14.
Avantageusement, l’une des sorties de l’unité de contrôle-commande 12 comporte un inverseur de niveau logique 19, de manière à ce que l’activation d’un des dispositifs de commutation 13, 14 entraîne la désactivation de l’autre, pouvant être au cours d’une unique impulsion de commande grâce à leur connexion commune, en amont de l’inverseur de niveau logique 19, à un même comparateur 18 logique.Advantageously, one of the outputs of the control-command unit 12 comprises a logic level inverter 19, so that the activation of one of the switching devices 13, 14 leads to the deactivation of the other, being able to be during a single control pulse thanks to their common connection, upstream of the logic level inverter 19, to the same comparator 18 logic.
Le comparateur 18 logique émet un signal logique de sortie correspondant à la comparaison entre un signal de sortie d’un élément de saturation 20 et un signal de sortie d’un dispositif de pilotage de commutation 21.The logic comparator 18 emits a logic output signal corresponding to the comparison between an output signal of a saturation element 20 and an output signal of a switching driver device 21.
Le dispositif de pilotage de commutation 21The switching pilot device 21
Avantageusement, le dispositif de pilotage de commutation 21 commande la commutation de l’onduleur 9, par un contrôleur 23 qui est :Advantageously, the switching control device 21 controls the switching of the inverter 9, by a controller 23 which is:
- non linéaire par mode glissant continu de premier ordre ou d’ordre supérieur, ounonlinear by first-order or higher-order continuous sliding mode, or
- linéaire et tient compte du déphasage entre le courant de référence et le courant injecté.linear and takes into account the phase difference between the reference current and the injected current.
Le dispositif de pilotage de commutation 21 peut comporter un dispositif de modulation de largeur d’impulsion (MLI), dans lequel la commande est modulée, afin de faire fonctionner l’onduleur 9 à une fréquence de commutation fixe et adaptée à la commutation rapide des composants d’électronique de puissance constituant l’onduleur 9.The switching control device 21 may include a pulse width modulation (PWM) device, in which the command is modulated, in order to operate the inverter 9 at a fixed switching frequency and adapted to the rapid switching of the power electronic components making up the inverter 9.
Avantageusement, la commande de commutation de l’onduleur 9 est réalisée telle qu’une partie du courant actif, dans le réseau électrique donné 1 dépourvu des courants perturbateurs non actifs, passe au travers l’unité de filtrage 10 de sortie, lorsque la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 est supérieure à la puissance consommée par les charges 2 électriques non linéaires et linéaires.Advantageously, the switching control of the inverter 9 is carried out such that part of the active current, in the given electrical network 1 devoid of inactive disturbing currents, passes through the output filtering unit 10, when the production of the renewable energy generation power unit 100 is greater than the power consumed by the non-linear and linear electrical loads 2.
Le dispositif de pilotage de commutation 21 émet un signal (appelé une onde porteuse) à une fréquence très élevée (supérieure à 80 kHz dans un premier temps) prédéterminée, en fonction du dimensionnement des composants, de manière à provoquer la commutation des dispositifs de commutation 13, 14.The switching driver device 21 emits a signal (called a carrier wave) at a very high frequency (above 80 kHz initially) predetermined, depending on the dimensioning of the components, so as to cause the switching of the switching devices 13, 14.
Dans la plupart des cas, les lois de commande, conçues pour contrôler les onduleurs de tension qui sont connectés au réseau électrique donné 1 via un filtre LCL, ont été à l'origine établies pour les systèmes d'énergie renouvelable (photovoltaïque et éolien).In most cases, control laws, designed to control voltage inverters that are connected to the given power grid 1 through an LCL filter, were originally established for renewable energy systems (photovoltaic and wind) .
Cependant, lors du fonctionnement en filtre actif parallèle FAP, un problème de résonance à la fréquence de coupure du LCL, comme décrit sur la
On désigne par un problème dechatteringquand le contrôleur SMC classique génère une commande, à fréquence très élevée.A chattering problem is when the classic SMC controller generates a command at a very high frequency.
Avantageusement, le dispositif à commander est à base d’onduleur Ond-Cr connecté en parallèle au milieu entre le réseau électrique donné 1 et les charges linéaires et non linéaires via un filtre de type inductance L-Ond-Cr.Advantageously, the device to be controlled is based on an Ond-Cr inverter connected in parallel in the middle between the given electrical network 1 and the linear and non-linear loads via an L-Ond-Cr inductance type filter.
Le contrôleur 23 peut être choisi parmi ces deux types de contrôleurs :The controller 23 can be chosen from these two types of controllers:
- le premier contrôleur est linéaire de type placement de pôle amélioré RSTam;the first controller is linear of the RST am improved pole placement type;
- le second est un contrôleur non linéaire de type mode glissant continu, comme décrit dans la
Le contrôleur RST classique (qui assure uniquement une poursuite en amplitude) est basé sur un placement de pôles alors que la méthode améliorée RSTameffectue un placement de pôles et de zéros, ce qui permet de minimiser au maximum l’erreur en amplitude et en phase entre le signal/courant identifié et celui injecté, comme décrit sur la
Le contrôleur RST est composé de trois polynômes R, S et T, avantageusement, ces polynômes sont de premier ordre correspondant à l’ordre du filtre de sortie L-Ond-Cr. Le polynôme T est un gain simple qui permet de faire tendre l’erreur en amplitude, entre les signaux d’entrée et de sortie de la boucle de contrôle, à zéro pour toute la bande des fréquences harmoniques.The RST controller is composed of three polynomials R, S and T, advantageously, these polynomials are of first order corresponding to the order of the output filter L-Ond-Cr. The polynomial T is a simple gain which makes it possible to make the error in amplitude, between the input and output signals of the control loop, tend to zero for the entire band of harmonic frequencies.
Le contrôleur amélioré RSTampréserve les mêmes polynômes R et S tout en plaçant des zéros dans la boucle de contrôle afin de minimiser, de plus, l’erreur en phase entre les signaux d’entrée et de sortie.The improved RST am controller preserves the same R and S polynomials while placing zeros in the control loop to further minimize the phase error between the input and output signals.
Dans les deux modes de réalisation, le contrôleur 23 effectue un contrôle qui permet d’assurer une réponse dynamique souhaitée, une forte robustesse en stabilité et en performances avec un très bon taux de rejet de perturbations dans une large gamme de conditions de fonctionnement.In both embodiments, the controller 23 performs a control which makes it possible to ensure a desired dynamic response, a strong robustness in stability and in performance with a very good rate of rejection of disturbances in a wide range of operating conditions.
Pour le contrôleur en mode glissant, il est connu qu’un contrôle par mode glissant classique avec une fonction dite Signe (signen anglais), génère une commande des interrupteurs de l’onduleur à fréquence très élevée (appeléeChattering) (commande discontinue), afin d’assurer une convergence en temps fini vers la surface de glissement où les états du système sont maintenus par la suite, même en présence de perturbations bornées.For the sliding mode controller, it is known that a classic sliding mode control with a so-called Sign function, generates a very high frequency control of the inverter switches (called Chattering ) (discontinuous control) , to ensure finite-time convergence to the slip surface where the system states are subsequently maintained, even in the presence of bounded perturbations.
La fonction Signe d’un signal est donnée par la relation :The sign function of a signal is given by the relation:
En pratique, l’onduleur de tension est commandé par une fonction de commutation à fréquence limitée, fixe ou variable. Des commutations à très hautes fréquences causent une surchauffe qui peut aller jusqu’à la destruction de l'onduleur.In practice, the voltage inverter is controlled by a fixed or variable frequency limited switching function. Switching at very high frequencies causes overheating which can lead to the destruction of the inverter.
Afin d’éviter le fonctionnement en mode de commande discontinue, avantageusement, le contrôleur 23 fonctionne avec un mode glissant à commande continue associé à une fonction Signe approximée en fonction sigmoïde.In order to avoid operation in discontinuous control mode, controller 23 advantageously operates with a sliding mode with continuous control associated with an approximated sign function as a sigmoid function.
Cette méthode consiste à remplacer la fonction Signe par une approximation continue. Il s’agit d’une fonction Signe approximée en une fonction Sigmoïde donnée par la formule :This method consists in replacing the Sign function by a continuous approximation. It is a Sign function approximated to a Sigmoid function given by the formula:
avec
Le système, dans ce cas, ne converge plus vers la valeur désirée, mais vers un voisinage de cette dernière, ce qui permet de limiter les commutations à très hautes fréquences.The system, in this case, no longer converges towards the desired value, but towards a neighborhood of the latter, which makes it possible to limit switching at very high frequencies.
Il est à noter que le contrôleur par mode glissant à fonction sigmoïde, utilisé selon un aspect de l’invention, est beaucoup plus allégé et est facilement réalisable par rapport à celui employé pour le filtre LCL. En effet, l’ordre (trois) relativement élevé du filtre LCL implique une surface minimale de glissement
avecwith
Selon un aspect de l’invention, le filtre de sortie est une simple inductance de contraintes minimales L-Ond-Cr, donc la surface de glissement est seulement l’erreur de poursuite de courant sans aucune dérivation
On désigne par une cible numérique d’implémentation, un composant électronique, tel qu’un processeur, un microprocesseur, un microcontrôleur, un FPGA, l’unité de calcul, …, pouvant réaliser des tâches et des calculs, ainsi le composant est capable d’exécuter les algorithmes de la partie contrôle-commande du dispositif proposé.A digital implementation target designates an electronic component, such as a processor, a microprocessor, a microcontroller, an FPGA, the calculation unit, etc., which can perform tasks and calculations, thus the component is capable to execute the algorithms of the control-command part of the proposed device.
Les tâches peuvent être la scrutation des alarmes, le pilotage des ADC (convention analogique et numérique), pilotage des drivers des composants, pilotage des drivers de génération de signaux de la MLI/PWM, etc.Tasks can be alarm scanning, ADC control (analog and digital convention), component driver control, PWM/PWM signal generation driver control, etc.
Les calculs peuvent être l’exécution des algorithmes de l’unité de calcul (l’identification des courants perturbateurs), l’algorithme de détection de la MPPT, l’algorithme de la PLL avancée, les calculs de la boucle de régulation de la tension de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, les calculs de la boucle de régulation du courant injecté, etc.The calculations can be the execution of the calculation unit algorithms (the identification of disturbing currents), the detection algorithm of the MPPT, the algorithm of the advanced PLL, the calculations of the regulation loop of the voltage of the capacitive energy storage element 3, calculations of the injected current regulation loop, etc.
Ce contrôleur permet d'éviter une discontinuité de la commande, notamment causée par des commutations variables de l’onduleur à fréquences dechatteringtrès hautes, causées par un contrôle à mode glissant classique.This controller makes it possible to avoid a discontinuity of the command, in particular caused by variable commutations of the inverter at very high chattering frequencies, caused by a classic sliding mode control.
Il est à noter que la structure de filtre actif basé sur un onduleur classique en silicium associé à une inductance L-Classique de l’état de l’art est contrôlé par un contrôle linéaire de type PI proportionnel-intégral (PI), comme décrit dans la
Avantageusement, le dispositif de pilotage de commutation 21 comporte un dispositif de modulation de largeur d’impulsion, dans lequel la commande est comparée à une onde porteuse à fréquence de commutation correspondant à la commutation rapide de l’Ond-Cr prédéterminée en fonction du dimensionnement les composants du dispositif de compensation 7.Advantageously, the switching control device 21 comprises a pulse width modulation device, in which the command is compared with a carrier wave at a switching frequency corresponding to the rapid switching of the Ond-Cr predetermined according to the sizing the components of the compensation device 7.
Cela permet de faire fonctionner l’onduleur Ond-Cr 9 à une fréquence de commutation fixe (supérieure à 80 kHz dans un premier temps).This allows the Ond-Cr 9 inverter to operate at a fixed switching frequency (above 80 kHz initially).
La fréquence de commutation de l’onduleur Ond-Cr étant augmentée jusqu’à 80 kHz (voire plus), le filtre 11 L-Ond-Cr aura un effet synergique en améliorant de ce fait le blocage des composantes à hautes fréquences, dues aux commutations/hachage.As the switching frequency of the Ond-Cr inverter is increased up to 80 kHz (or even more), the 11 L-Ond-Cr filter will have a synergistic effect thereby improving the blocking of high frequency components, due to switches/hashes.
L’un des aspects de l’invention est d’associer à l’onduleur Ond-Cr 9 un filtre 11 de sortie de type inductance L-Ond-Cr légère, non encombrante, économique et très facile à dimensionner, comparé au filtre L-Classique associé à un onduleur à composants classiques en silicium (Ond-Classique : IGBT, GTO) de l’état de l’art.One of the aspects of the invention is to associate with the Ond-Cr inverter 9 an output filter 11 of the L-Ond-Cr inductance type which is light, not bulky, economical and very easy to size, compared to the filter L -Classic associated with an inverter with classic silicon components (Ond-Classic: IGBT, GTO) of the state of the art.
De plus, cette inductance, dont la self a la taille égale ou inférieure à la somme des inductances (Lf1+Lf2) du filtre LCL, décrit par exemple sur la
Le contrôleur 23 est adapté au filtre utilisé, dans le cas du filtre LCL de l’état de l’art, le contrôleur est très sophistiqué et difficile à concevoir, il faut donc une unité de calcul plus puissante.The controller 23 is adapted to the filter used, in the case of the state-of-the-art LCL filter, the controller is very sophisticated and difficult to design, so a more powerful calculation unit is required.
Dans la présente invention, au contraire, le contrôleur associé au filtre L-Ond-Cr est plus léger et simple, par conséquent l’unité de calcul nécessaire est moins puissante.In the present invention, on the contrary, the controller associated with the L-Ond-Cr filter is lighter and simpler, consequently the necessary calculation unit is less powerful.
Avantageusement, la cible numérique d’implantation est le processeur qui permet d’effectuer tous les calculs du dispositif, cela signifie que tous les algorithmes, unité 25, contrôleurs 23, 62, 26, … de la partie contrôle commande 12 sont exécutés par la cible numérique d’implémentation.Advantageously, the digital implementation target is the processor which makes it possible to perform all the calculations of the device, this means that all the algorithms, unit 25, controllers 23, 62, 26, etc. of the control command part 12 are executed by the implementation numeric target.
La cible numérique d’implémentation peut présenter une fréquence inférieure à 100 MHz, une mémoire flash inférieure à 2 Mb, par exemple de quelques centaine de kb et une RAM inférieure à 2 Mb, par exemple de quelques dizaines de kb.The digital implementation target may have a frequency lower than 100 MHz, a flash memory lower than 2 Mb, for example a few hundred kb and a RAM lower than 2 Mb, for example a few tens of kb.
Par exemple :For example :
1- Cible numérique d’implémentation lié au filtre L-Ond-CR et contrôleur allégé de la présente invention :1- Digital implementation target linked to the L-Ond-CR filter and lightweight controller of the present invention:
dans cet exemple de l’invention, le dispositif a besoin d’une cible qui a les caractéristiques suivantes :in this example of the invention, the device needs a target that has the following characteristics:
- mono-cœur,- single-core,
- fréquence de l’ordre de 30MHz,- frequency of the order of 30MHz,
- mémoire flash de 32 ko,- 32 kB flash memory,
- RAM de 8 ko,- 8 KB RAM,
- il ne contient pas FPU Floating Point Unit (unité de calcul en virgule flottante).- it does not contain FPU Floating Point Unit.
2- Cible numérique d’implémentation lié au filtre LCL et contrôleur sophistiqué, comme utilisé dans l’état de l’art :2- Digital implementation target linked to the LCL filter and sophisticated controller, as used in the state of the art:
dans cet exemple de l’état de l’art, on a besoin d’une cible qui a les caractéristiques suivantes :In this example of the state of the art, we need a target that has the following characteristics:
- double cœur + accélération DSP,- dual core + DSP acceleration,
- fréquence 1GHz,- 1GHz frequency,
- mémoire flash de 16 Mb,- 16 Mb flash memory,
- 32 Mb RAM,- 32 Mb RAM,
- avec FPU.- with FPU.
De plus, la technologie d’onduleur à composants rapides permet à la tension du côté onduleur d’atteindre des valeurs élevées (supérieure à 1000 V), contre 800 V maximum pour les onduleurs classiques en silicium Ond-Classique fonctionnant, pour la même puissance commutée, à une fréquence de commutation de 16 kHz. Cette augmentation de tension continue améliore la dynamique du filtre actif et par conséquent la qualité de filtrage. Cette amélioration de la dynamique du filtre actif est accentuée grâce à la commutation rapide des composants de l’onduleur Ond-Cr.In addition, the fast component inverter technology allows the voltage on the inverter side to reach high values (more than 1000 V), compared to 800 V maximum for conventional Ond-Classic silicon inverters operating, for the same power switched, at a switching frequency of 16 kHz. This DC voltage increase improves the dynamics of the active filter and therefore the filtering quality. This improvement in the dynamics of the active filter is accentuated thanks to the rapid switching of the components of the Ond-Cr inverter.
Avantageusement, un élément de saturation 20 est classiquement configuré pour imposer des limites haute et basse sur le signal de commande. Ces limites sont déterminées par l’amplitude de l’onde porteuse qui est liée, à son tour, à la tension de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3.Advantageously, a saturation element 20 is conventionally configured to impose high and low limits on the control signal. These limits are determined by the amplitude of the carrier wave which is related, in turn, to the voltage of the capacitive energy storage element 3.
Avantageusement, le signal d’entrée de l’élément de saturation 20 provient de la sortie d’un sommateur 22, dont le signal de sortie est la somme d’une tension de commande u émise par un contrôleur 23 et de la tension VSdu point de raccordement C. Le rajout de la tension Vsdans la boucle de contrôle du courant injecté Iinjempêche un fort appel de courant réactif de la part de l’inductance L-Ond-Cr du filtre 11.Advantageously, the input signal of the saturation element 20 comes from the output of an adder 22, the output signal of which is the sum of a control voltage u emitted by a controller 23 and of the voltage V S of the connection point C. The addition of the voltage V s in the control loop of the injected current I inj prevents a strong inrush of reactive current from the inductance L-Ond-Cr of the filter 11.
L’unité de calcul 25 des courants de référenceThe calculation unit 25 of the reference currents
L’unité de calcul 25 des courants de référence, comporte une unité de boucle de verrouillage de phase avancée 26 (PLL avancée, en anglais «Phase Locked Loop »), qui extrait, en plus de l’angle fourni par une unité de verrouillage de phase conventionnelle, l’amplitude de la composante directe de la tension au point de raccordement C du réseau électrique donné 1.The calculation unit 25 of the reference currents comprises an advanced phase locked loop unit 26 (advanced PLL, in English “ Phase Locked Loop” ), which extracts, in addition to the angle provided by a locking unit conventional phase, the amplitude of the direct component of the voltage at the connection point C of the given electrical network 1.
Cette PLL avancée a la possibilité de fonctionner dans un milieu/réseau déjà perturbé en harmoniques et en déséquilibre de tension, avec deux fréquences centrales (50 et 60 Hz 10%) ainsi qu’avec une variation en amplitude de tension fondamentale de 15%, pour couvrir le fonctionnement du réseau électrique donné 1 et des groupes électrogènes.This advanced PLL has the ability to operate in a medium/network already disturbed in harmonics and voltage unbalance, with two center frequencies (50 and 60 Hz 10%) as well as with a variation in fundamental voltage amplitude of 15 %, to cover the operation of the given electrical network 1 and generators.
Avantageusement, la PLL avancée est adaptée à fonctionner dans le réseau électrique à une fréquence fondamentale variable entre 360 Hz et 800 Hz, avantageusement la fréquence fondamentale est de 400 Hz, pour une tension comprise entre 115 et 200V.Advantageously, the advanced PLL is adapted to operate in the electrical network at a fundamental frequency that varies between 360 Hz and 800 Hz, advantageously the fundamental frequency is 400 Hz, for a voltage comprised between 115 and 200V.
Avantageusement, le réseau électrique est un réseau électrique embarqué tel qu’un avion, un navire etc.Advantageously, the electrical network is an on-board electrical network such as an airplane, a ship, etc.
Avantageusement, la tension fondamentale est une tension composée.Advantageously, the fundamental voltage is a phase-to-phase voltage.
Avantageusement, la PLL avancée 26 permet :Advantageously, the advanced PLL 26 allows:
- d’assurer une égalité entre le courant absorbé par l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 et le courant de la puissance maximale produit par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; ceci est grâce à l’extraction de l’amplitude de la composante directe de la tension du point de raccordement du réseau électrique donné 1 ;to ensure equality between the current absorbed by the capacitive energy storage element 3 and the maximum power current produced by the renewable energy generation power unit 100; this is thanks to the extraction of the amplitude of the direct component of the voltage of the connection point of the given electrical network 1;
- d’assurer un comportement efficace de la méthode d’identification des courants perturbateurs pour une tension du réseau électrique donné 1 déjà fortement déformée en harmoniques et déséquilibrée ;to ensure effective behavior of the method for identifying disturbance currents for a given electrical network voltage 1 already highly distorted in harmonics and unbalanced;
- d’assurer une injection du courant de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 en phase avec la composante directe de la tension du point de raccordement C du réseau électrique donné 1, empêchant, par conséquent, une consommation supplémentaire de la puissance réactive via le réseau électrique donné 1.to ensure current injection of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100 in phase with the direct component of the voltage of the connection point C of the given electrical network 1, thereby preventing a additional consumption of reactive power through the given power grid 1.
Cela permet un fonctionnement correct du dispositif de compensation 7 même dans le cas de groupes électrogènes se substituant au réseau électrique donné 1 ou les réseaux embarqués.This allows correct operation of the compensation device 7 even in the case of generating sets replacing the given electrical network 1 or the on-board networks.
Avantageusement, le dispositif de compensation 7 assure une synchronisation entre le courant fondamental maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et la composante directe de tension du réseau électrique donné 1 du point de raccordement C. Ceci évite, d’une part, une consommation supplémentaire de la puissance réactive et permet, d’autre part, d’assurer un courant de charge de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ne dépassant pas le courant maximal de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.Advantageously, the compensation device 7 ensures synchronization between the maximum fundamental current generated by the renewable energy generation power unit 100 and the direct voltage component of the given electrical network 1 of the connection point C. This avoids, d on the one hand, an additional consumption of the reactive power and makes it possible, on the other hand, to ensure a charging current of the capacitive energy storage element 3 not exceeding the maximum current of the power unit at renewable energy generation 100.
L’unité de calcul 25 des courants de référence comporte une pluralité d’entrées mesurées.The calculation unit 25 of the reference currents comprises a plurality of measured inputs.
Les grandeurs du système qui sont mesurées comportent au moins :The quantities of the system that are measured include at least:
- l’intensité ILdu courant de chaque fil consommé par la charge 2 ; et/ou- the intensity I L of the current of each wire consumed by the load 2; and or
- l’intensité Iinjdu courant de chaque fil sortant de l’unité de filtrage 10 ; et/ou- the intensity I inj of the current of each wire leaving the filter unit 10; and or
- l’intensité Ipvdu courant de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; et/ou- the intensity I pv of the current of the renewable energy generation power unit 100; and or
- la tension Vpvde l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; et/ou- the voltage V pv of the renewable energy generation power unit 100; and or
- la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, qui est également la tension de la puissance maximale de sortie de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; et/ou- the voltage V dc across the terminals of the capacitive energy storage element 3, which is also the voltage of the maximum output power of the renewable energy generation power unit 100; and or
- la tension VSde chacune des phases au niveau des points de raccordement C, par l’intermédiaire d’une boucle à verrouillage de phase avancée (PLL) 26 qui est intégrée dans l’unité de calcul 25. La boucle à verrouillage de phase avancée 26 est utilisée pour extraire la composante positive ou directe triphasée Vd123de la tension du réseau électrique donné 1 au niveau des points de raccordement C. Avantageusement, la tension du réseau électrique donné 1 possède une composante positive triphasée Vd123utile pour un fonctionnement efficace de l’unité de calcul 25.- the voltage V S of each of the phases at the connection points C, via an advanced phase-locked loop (PLL) 26 which is integrated in the calculation unit 25. The phase-locked loop of advanced phase 26 is used to extract the three-phase positive or direct component V d123 from the voltage of the given electrical network 1 at the connection points C. Advantageously, the voltage of the given electrical network 1 has a three-phase positive component V d123 useful for a efficient operation of the computing unit 25.
La PLL avancée offre, en plus de la phase fournie par une PLL classique/conventionnelle, l’amplitude (Vd) de la composante directe de la tension de raccordement du réseau électrique donné 1, comme décrit sur les Figures 4 et 25. La tension directe assure une performance efficace de la méthode d’identification des courants perturbateurs, même dans le cas d’un fonctionnement du filtre actif dans milieu perturbé du réseau électrique donné 1 (tension du réseau déformée avec une présence des harmoniques) et/ou déséquilibrée. De plus, lors de la régulation de la tension du bus continu de l’onduleur, extraire l’amplitude de la composante directe de tension du réseau électrique donné 1 permet la charge du condensateur par un courant optimal égal, dans le cas d’une génération d’énergie renouvelable, au courant de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100. Avantageusement, ce courant de la puissance maximale Imp sera injecté au réseau électrique donné 1, grâce à la PLL avancée, en phase avec la composante directe de tension du point de raccordement C. Ceci empêche une consommation supplémentaire de la puissance réactive.The advanced PLL offers, in addition to the phase provided by a classic/conventional PLL, the amplitude (V d ) of the direct component of the connection voltage of the given electrical network 1, as described in Figures 4 and 25. direct voltage ensures effective performance of the method for identifying disturbance currents, even in the case of operation of the active filter in a disturbed environment of the given electrical network 1 (distorted network voltage with the presence of harmonics) and/or unbalanced . In addition, when regulating the voltage of the DC bus of the inverter, extracting the amplitude of the voltage direct component of the given electrical network 1 allows the charging of the capacitor by an equal optimum current, in the case of a renewable energy generation, aware of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100. Advantageously, this current of the maximum power Imp will be injected into the given electrical network 1, thanks to the advanced PLL, in phase with the positive sequence component of connection point C. This prevents additional consumption of reactive power.
Dans un aspect possible de l’invention, l’unité de calcul est scindée en trois :In a possible aspect of the invention, the calculation unit is split into three:
- une unité de calcul des courants de référence 25-A (Amont) configurée pour déterminer le courant perturbateur non actif circulant dans la charge 2, et- a reference current calculation unit 25-A (Upstream) configured to determine the non-active disturbing current flowing in load 2, and
- une unité de calcul des courants de référence 25-B configurée pour calculer, en se basant uniquement sur la puissance, la tension du point de puissance active maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100,- a reference current calculation unit 25-B configured to calculate, based solely on the power, the voltage of the maximum active power point of the renewable energy generation power unit 100,
- une unité de calcul de référence 25-A (Aval) délivrant les courants non actifs/perturbateurs de l’unité 25-A (Amont) et/ou le courant actif maximal issu de l’unité 25-B et du régulateur 62, qui assure à sa sortie la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.- a reference calculation unit 25-A (Downstream) delivering the non-active/disturbing currents of unit 25-A (Upstream) and/or the maximum active current from unit 25-B and regulator 62, which ensures at its output the maximum power of the renewable energy generation power unit 100.
Le courant à injecter au point de raccordement C comporte le courant actif de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ainsi que des courants non actifs perturbateurs, pouvant présenter des harmoniques, du déséquilibre, et du réactif, configurés en opposition de phase pour s’opposer aux harmoniques, au déséquilibre et au réactif du signal transitant dans la charge 2 de manière à les réduire, voire les annuler du côté réseau électrique donné 1.The current to be injected at connection point C comprises the active current of the renewable energy generation power unit 100 as well as disturbing non-active currents, which may present harmonics, unbalance, and reactive, configured in opposition to phase to oppose the harmonics, unbalance and reactive of the signal flowing through the load 2 so as to reduce or even cancel them on the given mains side 1.
La commande de commutation de l’onduleur 9 Ond-Cr est réalisée de manière à laisser passer à travers l’unité de filtrage 10 de sortie au point de raccordement C au moins :The switching control of the inverter 9 Ond-Cr is carried out in such a way as to let pass through the output filtering unit 10 at the connection point C at least:
- une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant : des courants harmoniques, ainsi que des courants réactif et déséquilibré à la fréquence fondamentale, dans les charges 2 électriques non linéaires et linéaires,some or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition comprising: harmonic currents, as well as reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in the non-linear and linear electrical loads 2,
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie non active des charges 2 électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné 1 de ces courants perturbateurs non actifs ; et/outo satisfy the demand for non-active energy consumption of non-linear and linear electrical loads 2, while depolluting the given electrical network 1 from these non-active disturbance currents; and or
- un courant actif, en phase avec la composante directe ou positive de la tension du point de raccordement C grâce à la PLL avancée 26, correspondant à un point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges 2 électriques non linéaires et linéaires.an active current, in phase with the direct or positive component of the voltage of the connection point C thanks to the advanced PLL 26, corresponding to a point of maximum power available within the power unit with renewable energy generation 100 , to satisfy the active power consumption demand of non-linear and linear electric loads.
Le contrôleur 23 assure la poursuite du courant entre le courant injecté Iinjet le courant de référence issu de l’unité 25. De son côté, le régulateur 62 assure la poursuite de la tension entre la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 et la tension de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, délivrée par l’unité de calcul des courants de référence 25-B ; l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 sera par conséquent chargé.The controller 23 ensures the continuation of the current between the injected current I inj and the reference current from the unit 25. For its part, the regulator 62 ensures the continuation of the voltage between the voltage V dc at the terminals of the element of capacitive energy storage 3 and the voltage of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100, delivered by the reference current calculation unit 25-B; the capacitive energy storage element 3 will therefore be charged.
Enfin, le dispositif de pilotage de commutation 21 assure la commande des interrupteurs de l’onduleur 9 afin de générer Iinj.Finally, the switching control device 21 controls the switches of the inverter 9 in order to generate I inj .
Avantageusement, l’unité de calcul 25 des courants de référence comporte une sortie pour chaque phase, chaque sortie correspondant à la chaîne de contrôle-commande de la phase associée (y compris le neutre), ladite chaîne de contrôle-commande comprenant un comparateur 24, un contrôleur 23, un sommateur 22, un élément de saturation 20 et un comparateur 18 logique dont la sortie se divise en deux branches dont l’une comporte un inverseur de niveau logique 19.Advantageously, the reference current calculation unit 25 comprises an output for each phase, each output corresponding to the control-command chain of the associated phase (including the neutral), said control-command chain comprising a comparator 24 , a controller 23, an adder 22, a saturation element 20 and a logic comparator 18 whose output is divided into two branches, one of which comprises a logic level inverter 19.
L’unité de calcul 25 des courants de référence émet donc un signal de consigne par phase, y compris le neutre, présentant une intensité Iref.The calculation unit 25 of the reference currents therefore emits a setpoint signal per phase, including the neutral, having an intensity I ref .
L’intensité Iinjde chaque phase, y compris le neutre, du signal émis par l’onduleur 9 est retournée à l’unité de contrôle-commande 12 et comparée, via le comparateur 24 avec la consigne Irefde la chaîne de contrôle-commande de la phase correspondante, délivrée par l’unité de calcul 25. La différence entre Irefet Iinjest corrigée via le contrôleur 23 qui émet la commande u.The intensity I inj of each phase, including the neutral, of the signal emitted by the inverter 9 is returned to the control-command unit 12 and compared, via the comparator 24 with the setpoint I ref of the control chain command of the corresponding phase, delivered by the calculation unit 25. The difference between I ref and I inj is corrected via the controller 23 which issues the command u.
Avantageusement, la tension Vdcappliquée aux bornes de l’unité de stockage d’énergie capacitif 3 est régulée (maintenue constante) en la comparant, via un comparateur 60, avec une tension de référence Vdc-ref, qui est égale à la tension du point de puissance maximale VMPPde l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, calculé via l’unité de calcul 25-B, décrit comme sur la
Dans un aspect possible de l’invention, le signal mesuré de la tension Vdcest filtré des fluctuations à 300 Hz ou d’autres fluctuations, via un filtre passe-bas de deuxième ordre 61. Le signal d’erreur (Vdc-ref- Vdc) est contrôlé par un régulateur PI (Proportionnel Intégral) 62 ou un autre contrôleur adapté, afin d’obtenir la puissance maximale PMPP.In a possible aspect of the invention, the measured signal of the voltage V dc is filtered from fluctuations at 300 Hz or other fluctuations, via a second order low-pass filter 61. The error signal (V dc- ref - V dc ) is controlled by a PI (Proportional Integral) regulator 62 or another suitable controller, in order to obtain the maximum power P MPP .
La tension VSdu réseau électrique donné 1 est ajoutée dans le sommateur 22 à la commande u, la sortie du sommateur 22 étant limitée dans l’élément de saturation 20, la sortie de l’élément de saturation 20 étant comparée via le comparateur 18 logique avec le signal délivré par le dispositif de modulation de largeur d’impulsion (la porteuse).The voltage V S of the given electrical network 1 is added in the adder 22 to the command u, the output of the adder 22 being limited in the saturation element 20, the output of the saturation element 20 being compared via the comparator 18 logic with the signal delivered by the pulse width modulation device (the carrier).
Le signal de sortie du comparateur 18 logique est à un niveau 1 si le signal de sortie de l’élément de saturation 20 est plus grand que la porteuse. Autrement il est à un niveau 0. Suivant cette chaîne logique, les dispositifs de commutation 13 ou 14, qui ne comportent pas d’inverseur de niveau logique 19, sont respectivement fermés ou ouverts (l’autre dispositif fonctionnant d’une façon complémentaire).The output signal of logic comparator 18 is at a level 1 if the output signal of saturation element 20 is greater than the carrier. Otherwise it is at level 0. According to this logic chain, the switching devices 13 or 14, which do not include a logic level inverter 19, are respectively closed or open (the other device operating in a complementary manner) .
L’unité de contrôle-commande 12 comporte au moins un processeur et au moins une mémoire, la mémoire comprenant un programme exécuté par le processeur de manière à mettre en œuvre le procédé de détermination du signal de consigne Iref, contenant le courant non actif ainsi que le courant IMPPdu point de puissance maximale MPPT, via l’unité de calcul 25 des courants de référence, du contrôle de courant injecté Iinjvia le contrôleur 23, de réguler la tension Vdcau bornes de l’unité de stockage d’énergie capacitif 3 via le régulateur 62 et de générer ce courant injecté en commandant les dispositifs de commutation 13, 14 de chaque fil/bras de l’onduleur 9 via le dispositif de pilotage de commutation 21.The control-command unit 12 comprises at least one processor and at least one memory, the memory comprising a program executed by the processor so as to implement the method for determining the setpoint signal I ref , containing the non-active current as well as the current I MPP of the maximum power point MPPT, via the calculation unit 25 of the reference currents, of the control of injected current I inj via the controller 23, to regulate the voltage V dc at the terminals of the unit of capacitive energy storage 3 via the regulator 62 and to generate this injected current by controlling the switching devices 13, 14 of each wire/arm of the inverter 9 via the switching control device 21.
Selon un des aspects de l’invention, le processeur requis, grâce au contrôleur simplifié 23 associé au filtre 11 de sortie L-Ond-Cr et l’onduleur Ond-Cr 9, est beaucoup moins puissant que celui requis par la commande non linéaire assez sophistiquée associée à un filtre de sortie de type LCL et un onduleur à composants classiques en silicium Ond-Classique.According to one of the aspects of the invention, the processor required, thanks to the simplified controller 23 associated with the L-Ond-Cr output filter 11 and the Ond-Cr inverter 9, is much less powerful than that required by the nonlinear control. quite sophisticated associated with an LCL type output filter and an inverter with classic Ond-Classic silicon components.
Le processeur est une cible d’implémentation numérique.The processor is a digital implementation target.
Le procédé de détermination du signal de consigne Iref, délivré par l’unité de calcul 25 des courants de référence, comporte les étapes suivantes :The method for determining the reference signal I ref , delivered by the calculation unit 25 of the reference currents, comprises the following steps:
- traitement des mesures (basé sur l’algorithme d’identification des puissances instantanées ou autres 25-A) du courant ILde la charge 2 et de la tension au point de raccordement Vs(dont la composante directe de tension (en amplitude Vdet en phase θd) est extraite par la PLL avancée) de manière à estimer les courants non actifs harmoniques, réactif et déséquilibré ;- measurement processing (based on the instantaneous or other 25-A power identification algorithm) of the current I L of load 2 and of the voltage at the connection point V s (including the direct voltage component (in amplitude V d and in phase θ d ) is extracted by the advanced PLL) so as to estimate the non-active harmonic, reactive and unbalanced currents;
- génération d’une consigne Irefcalculée pour annuler le contenu non actif du courant Isdu côté réseau électrique donné 1.- generation of a setpoint I ref calculated to cancel the non-active content of the current I s on the given electrical network side 1.
Avantageusement, l’unité de calcul 25 des courants de référence est configurée pour identifier, via l’unité 25-B, le point de puissance maximale MPPT de fonctionnement de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, installée au sein d’un champ de production d’énergie renouvelable, d’un bâtiment ou d’une usine d’autoconsommation 99, de la façon suivante :Advantageously, the reference current calculation unit 25 is configured to identify, via the unit 25-B, the point of maximum operating power MPPT of the renewable energy generation power unit 100, installed within of a renewable energy production field, a building or a self-consumption plant 99, as follows:
- traitement des mesures du courant Ipvet la tension Vpv(basé, via l’unité 25-B, sur un algorithme de type P&O de l’anglais «Perturb and Observe »ou autres, qui fait partie de l’unité 25) de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.- processing of the measurements of the current I pv and the voltage V pv (based, via unit 25-B, on a P&O type algorithm from English " Perturb and Observe" or others, which is part of unit 25 ) of the renewable energy generation power unit 100.
Avantageusement, l’algorithme P&O de l’unité de calcul 25-B est adapté à un mode de réalisation de l’invention, qui assure une connexion sans hacheur de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 à l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ; la sortie de l’algorithme P&O est, dans ce cas, la tension de la puissance maximale Vmppet non pas le signal de commande du hacheur, habituellement associé à l’algorithme de détection de la puissance maximale, P&O ou autres.Advantageously, the P&O algorithm of the calculation unit 25-B is adapted to an embodiment of the invention, which ensures connection without a chopper of the renewable energy generation power unit 100 to the element capacitive energy storage 3; the output of the P&O algorithm is, in this case, the maximum power voltage V mpp and not the chopper control signal, usually associated with the maximum power detection algorithm, P&O or others.
- génération de la tension maximale VMPP, via l’unité 25-B, et par conséquent la puissance maximale PMPPet le courant maximal IMPPqui sera intégré dans le courant de consigne Irefvia la puissance PMPPcalculée à la sortie du régulateur 62.- generation of the maximum voltage V MPP , via the unit 25-B, and consequently the maximum power P MPP and the maximum current I MPP which will be integrated into the setpoint current I ref via the power P MPP calculated at the output regulator 62.
Avantageusement, seul l’algorithme de calcul du point de puissance maximale (unité 25-B) est à intégrer dans l’unité 25, via l’algorithme d’identification des courants perturbateurs (unité 25-A). En effet, la boucle de régulation de la tension du condensateur (élément de stockage d’énergie capacitif 3) de l’onduleur est déjà prévue dans l’unité 25-A pour charger le condensateur de l’onduleur lors du fonctionnement en pur filtre actif, afin de compenser les pertes causées par les composants de l’onduleur Ond-Cr ainsi que du filtre L-Ond-Cr.Advantageously, only the algorithm for calculating the maximum power point (unit 25-B) is to be integrated into unit 25, via the algorithm for identifying disturbance currents (unit 25-A). Indeed, the capacitor voltage regulation loop (capacitive energy storage element 3) of the inverter is already provided in the 25-A unit to charge the inverter capacitor during pure filter operation active, in order to compensate for the losses caused by the components of the Ond-Cr inverter as well as the L-Ond-Cr filter.
Selon un des aspects de l’invention, lors du fonctionnement en filtre actif avec injection de la puissance maximale d’une source d’énergie renouvelable, la tension de référence Vdc-ref devient la tension de la puissance maximale, délivrée par l’unité 25-B, au lieu d’être prédéfinie selon un cahier des charges orienté filtrage pur. Cette méthodologie allège, minimise et améliore la précision, d’une façon notable, lors de la mise en œuvre de la partie contrôle-commande, en comparaison de l’état de l’art qui prévoit une boucle supplémentaire de chaque courant injecté qui impose aussi l’emploi d’un hacheur.According to one of the aspects of the invention, during operation as an active filter with injection of the maximum power from a renewable energy source, the reference voltage Vdc-ref becomes the voltage of the maximum power, delivered by the unit 25-B, instead of being predefined according to specifications oriented pure filtering. This methodology lightens, minimizes and improves the precision, in a notable way, during the implementation of the control-command part, in comparison with the state of the art which provides for an additional loop of each injected current which imposes also the use of a chopper.
L’unité de contrôle-commande 12 est configurée en outre pour effectuer la régulation de la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3, et assurer, par conséquent, la recharge du condensateur (élément de stockage d’énergie capacitif 3). En effet, le condensateur (élément de stockage d’énergie capacitif 3) a, entre autres, pour rôle de couvrir les pertes de l’onduleur 9 et l’unité de filtrage 10 ainsi que de fournir le courant actif maximal IMPPde l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 aux points de raccordement C, via l’onduleur Ond-Cr 9 et l’unité de filtrage 10 du filtre 11 L-Ond-Cr.The control-command unit 12 is further configured to perform the regulation of the voltage V dc across the terminals of the capacitive energy storage element 3, and therefore ensure the charging of the capacitor (storage element d capacitive energy 3). Indeed, the capacitor (capacitive energy storage element 3) has, among other things, the role of covering the losses of the inverter 9 and the filtering unit 10 as well as providing the maximum active current I MPP of the renewable energy generation power unit 100 to the connection points C, via the Ond-Cr inverter 9 and the filter unit 10 of the L-Ond-Cr filter 11.
Avantageusement, la suite du processus au sein de l’unité de contrôle-commande 12 comprend :Advantageously, the rest of the process within the control-command unit 12 comprises:
- un traitement des mesures de la tension Vdcaux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ;- a processing of the measurements of the voltage V dc at the terminals of the capacitive energy storage element 3;
- un filtrage, via un filtre passe-bas de deuxième ordre 61, du signal mesuré de la tension Vdcdes fluctuations à 300 Hz ou autres ;- filtering, via a second-order low-pass filter 61, of the measured signal of the voltage V dc , fluctuations at 300 Hz or others;
- la poursuite, via le régulateur 62, entre Vdc-ref=VMPPet la tension Vdc, afin d’assurer une tension maximale VMPPconstante aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ;- the continuation, via the regulator 62, between V dc-ref =V MPP and the voltage V dc , in order to ensure a constant maximum voltage V MPP across the terminals of the capacitive energy storage element 3;
- la génération du courant perturbateur injecté en opposition de phase par rapport à celui circulant dans la charge et du courant de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.- the generation of the disturbing current injected in phase opposition with respect to that circulating in the load and of the current of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100.
Avantageusement, pour cette poursuite via le régulateur 62, l’unité de calcul 25 des courants de référence est configurée pour intégrer le calcul du courant de la puissance maximale, via l’unité 25-B, dans l’algorithme du calcul des courants non actifs, assuré par l’unité 25-A.Advantageously, for this tracking via the regulator 62, the calculation unit 25 of the reference currents is configured to integrate the calculation of the current of the maximum power, via the unit 25-B, in the algorithm of the calculation of the currents not assets, provided by unit 25-A.
Le processus de cette intégration peut suivre la façon suivante : la sortie du régulateur 62 étant la puissance maximale PMPPde l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, ce signal est rajouté au sommateur 63, qui a, à sa deuxième entrée, la puissance perturbatrice active
Avantageusement, le calcul des courants de la consigne/référence Irefse fait via un passage inverse, par rapport à l’unité 25-A (Amont), à travers l’unité (25-A Aval). Ce courant de référence contient les courants non actifs ainsi que le courant de la puissance maximale, d’abord calculé dans le même repère α, β et 0 puis dans le repère triphasé à 4 fils.Advantageously, the calculation of the setpoint/reference currents I ref is done via an inverse passage, with respect to the unit 25-A (Upstream), through the unit (25-A Downstream). This reference current contains the non-active currents as well as the maximum power current, first calculated in the same α, β and 0 marker then in the three-phase 4-wire marker.
Il est à noter que la PLL avancée 26, utilisée dans l’unité de calcul des courants perturbateurs 25-A, extrait à la fois l’amplitude Vdainsi que l’angle θdet par conséquent la composante directe triphasée Vd123de la tension de raccordement (point C) Vs. Ainsi, une identification précise des courants perturbateurs même dans le cas d’un réseau perturbé en harmoniques et en déséquilibre de tension est assurée.It should be noted that the advanced PLL 26, used in the disturbance current calculation unit 25-A, extracts both the amplitude V d as well as the angle θ d and consequently the three-phase direct component V d123 of the connection voltage (point C) V s . Thus, precise identification of disturbing currents even in the case of a network disturbed by harmonics and voltage unbalance is ensured.
De plus, une simple division des puissances instantanées, comme décrit dans la
Les unités 25-A(Amont) y compris la PLL avancée 26 et 25-A(Aval) sont configurées pour identifier les courants perturbateurs ; les unités 25-A(Amont), 25-A(Aval) et 25-B représentent l’unité de calcul des courants de référence 25.The 25-A(Upstream) units including the advanced PLL 26 and 25-A(Downstream) are configured to identify disturbance currents; the units 25-A(Upstream), 25-A(Downstream) and 25-B represent the reference current calculation unit 25.
Il est à noter que grâce à l’unité de contrôle-commande 12 et spécialement l’unité de calcul 25-A & 25-B avec la PLL avancée ainsi que les contrôleurs 23, le dispositif 7 est adapté à deux fréquences fondamentales comprises entre 40 et 70 Hz, pour comprendre le cas d’un groupe électrogène. De plus, le dispositif est adapté à une tension nominale du réseau électrique donné 1 comprise entre 180 et 480 V.It should be noted that thanks to the control-command unit 12 and especially the calculation unit 25-A & 25-B with the advanced PLL as well as the controllers 23, the device 7 is adapted to two fundamental frequencies between 40 and 70 Hz, to understand the case of a generator. In addition, the device is suitable for a nominal voltage of the given electrical network 1 between 180 and 480 V.
Avantageusement, le dispositif 7 est adapté à fonctionner dans le réseau électrique à une fréquence fondamentale variable entre 360 Hz et 800 Hz, avantageusement la fréquence fondamentale est de 400 Hz, pour une tension comprise entre 115 et 200V.Advantageously, device 7 is adapted to operate in the electrical network at a fundamental frequency that varies between 360 Hz and 800 Hz, advantageously the fundamental frequency is 400 Hz, for a voltage comprised between 115 and 200V.
Avantageusement, le réseau électrique est un réseau électrique embarqué tel qu’un avion, un navire etc.Advantageously, the electrical network is an on-board electrical network such as an airplane, a ship, etc.
Ensuite, l’unité de contrôle-commande 12 ayant le courant de consigne Iref, issu de l’unité de calcul 25, ainsi que celui injecté Iinjcontrôlé à son tour via le contrôleur 23, l’onduleur Ond-Cr 9 est commandé via le dispositif de pilotage de commutation 21 pour générer le courant Iinj.Then, the control-command unit 12 having the setpoint current I ref , coming from the calculation unit 25, as well as that injected I inj controlled in turn via the controller 23, the Ond-Cr inverter 9 is controlled via the switching control device 21 to generate the current I inj .
Avantageusement, l’onduleur Ond-Cr, impose dans ce cas la tension du côté continu. Cala représente une fiabilité supplémentaire du dispositif du filtre actif parallèle ainsi qu’un gain financier important.Advantageously, the Ond-Cr inverter imposes the voltage on the DC side in this case. Cala represents an additional reliability of the parallel active filter device as well as a significant financial gain.
En effet, cela permet d’éviter l’utilisation d’un dispositif supplémentaire, un hacheur insérer entre l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et l’onduleur 9 Ond-Cr, pour, entre autres, générer la puissance maximale issue de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.Indeed, this makes it possible to avoid the use of an additional device, a chopper inserted between the renewable energy generation power unit 100 and the inverter 9 Ond-Cr, for, among other things, generating the power maximum from renewable energy generation power unit 100.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 peut gérer la commande d’un hacheur configuré pour maintenir une tension continue prédéterminée aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 de l’onduleur Ond-Cr. Par exemple, l’unité de contrôle-commande 12 peut comporter :Advantageously, the control-command unit 12 can manage the control of a chopper configured to maintain a predetermined DC voltage across the terminals of the capacitive energy storage element 3 of the Ond-Cr inverter. For example, the control-command unit 12 can comprise:
- une commande d’un hacheur, configurée pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 de l’onduleur Ond-Cr, indépendamment du niveau de tension de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 pour assurer une qualité de filtrage harmonique inchangé ;- a control of a chopper, configured to maintain a constant predefined direct voltage at the terminals of the capacitive energy storage element 3 of the Ond-Cr inverter, independently of the voltage level of the generation power unit of renewable energy 100 to ensure an unchanged harmonic filtering quality;
-un double hacheur, pour le cas d’un réseau électrique îloté. Le deuxième hacheur peut fournir, pour le cas du réseau îloté, micro-réseau et pour d’autres applications, un niveau supplémentaire de la tension continue, y compris pour le cas d’une gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autre système de stockage d’énergie capacitif. L’onduleur, dans le cas d’un réseau îloté, impose la tension et la fréquence du côté alternatif.- a double chopper, for the case of an islanded electrical network. The second chopper can provide, for the case of the island network, micro-grid and for other applications, an additional level of the DC voltage, including for the case of a charge/discharge management of a battery bank or other capacitive energy storage system. The inverter, in the case of an island network, imposes the voltage and frequency on the AC side.
L’unité de filtrage 10Filter unit 10
L’unité de filtrage 10 comprend dans un mode de réalisation un filtre 11 de type inductance de faible self L-Ond-Cr (égale ou inférieure à Lf1+Lf2du filtre LCL et dix à vingt fois moins de celle du filtre L-Classique associés tous les deux à un onduleur classique en silicium Ond-Classique : de l’ordre de 200 à 500 μH ou moins de l’Ond-Cr contre 2 à 5 mH de L-Classique suivant la fréquence de commutation).The filtering unit 10 comprises in one embodiment a filter 11 of the inductance type with a low inductance L-Ond-Cr (equal to or less than L f1 +L f2 of the LCL filter and ten to twenty times less than that of the filter L -Classic both associated with a classic silicon inverter Ond-Classic: around 200 to 500 μH or less of Ond-Cr against 2 to 5 mH of L-Classic depending on the switching frequency).
Le filtre de sortie conserve l'efficacité de filtrage des composantes harmoniques, dues au hachage, d'un filtre LCL connecté en sortie d'un onduleur en composants classiques en silicium qui génère ces composantes harmoniques, le filtre L évitant la résonance entre le filtre LCL et le réseau électrique donné 1.The output filter retains the filtering efficiency of the harmonic components, due to chopping, of an LCL filter connected to the output of an inverter made of conventional silicon components which generates these harmonic components, the filter L avoiding the resonance between the filter LCL and the given power grid 1.
Le filtre 11 comporte donc, sur chacun des 4 fils (trois phases avec le neutre), une inductance 15 connectée d’une part à un fil d’entrée de l’unité de filtrage 10 (sortant d’un des 4 points de connexion commun A), et d’autre part à un des 4 points de raccordement C via un fil de sortie l’unité de filtrage 10.The filter 11 therefore comprises, on each of the 4 wires (three phases with the neutral), an inductance 15 connected on the one hand to an input wire of the filtering unit 10 (outgoing from one of the 4 connection points common A), and on the other hand to one of the 4 connection points C via an output wire the filter unit 10.
Le filtre 11 permet d’empêcher la propagation des composantes dues à la fréquence de commutation de l’onduleur 9 au réseau électrique donné 1 sans dégrader la dynamique du système de compensation 7. Il permet donc de limiter le risque de résonance dans le cas d’un filtre LCL ainsi que dans le cas d’un filtre passif auxiliaire associé à un L-Classique destiné à la limitation de cette propagation.The filter 11 makes it possible to prevent the propagation of the components due to the switching frequency of the inverter 9 to the given electrical network 1 without degrading the dynamics of the compensation system 7. It therefore makes it possible to limit the risk of resonance in the case of an LCL filter as well as in the case of an auxiliary passive filter associated with an L-Classic intended to limit this propagation.
Dans un aspect possible de l’invention, le filtre de sortie L est un filtre de sortie de type LCL (avec deux inductances 15 et 16 connectées à un condensateur 17) dont le condensateur C est court-circuité, ainsi Lf1+Lf2=L-Ond-Cr, Lf1 étant l’inductance de la première bobine du filtre LCL et Lf2 étant l’inductance de la seconde bobine du filtre LCL.In one possible aspect of the invention, the output filter L is an output filter of the LCL type (with two inductors 15 and 16 connected to a capacitor 17) whose capacitor C is short-circuited, thus Lf1+Lf2=L -Ond-Cr, Lf1 being the inductance of the first coil of the LCL filter and Lf2 being the inductance of the second coil of the LCL filter.
Le signal émis en sortie de l’unité de filtrage 10, et donc en sortie du dispositif de compensation 7, présente donc les harmoniques du signal causés par la partie non linéaire de la charge 2.The signal emitted at the output of the filtering unit 10, and therefore at the output of the compensation device 7, therefore presents the harmonics of the signal caused by the non-linear part of the load 2.
Pour tout harmonique présent dans le signal perturbateur, causé par la charge 2, le signal émis par l’unité de filtrage 10 présente une valeur de tension inverse (en opposition de phase) à la valeur de tension du signal de la charge 2 non linéaire à cet harmonique de rang n.For any harmonic present in the disturbing signal, caused by load 2, the signal emitted by the filtering unit 10 presents an inverse voltage value (in phase opposition) to the voltage value of the signal from non-linear load 2 at this harmonic of rank n.
Ainsi, en injectant le signal de sortie du dispositif de compensation 7 au point de raccordement C, les harmoniques du signal émis par la charge 2 non linéaire sont annulés et le courant transitant du côté réseau électrique donné 1 est dépourvu d’harmoniques.Thus, by injecting the output signal of the compensation device 7 at the connection point C, the harmonics of the signal emitted by the non-linear load 2 are canceled and the current flowing on the given electrical network side 1 is devoid of harmonics.
De manière similaire, le signal de sortie du dispositif de compensation 7 présente, pour la fréquence fondamentale, un déphasage configuré pour générer une puissance réactive inverse (en opposition de phase) à la puissance réactive du signal perturbateur de la charge 2.Similarly, the output signal of the compensation device 7 has, for the fundamental frequency, a phase shift configured to generate an inverse reactive power (in phase opposition) to the reactive power of the disturbing signal of the load 2.
De cette manière, la puissance réactive consommée par la charge 2 est complétement compensée, dans la limite du dimensionnement du dispositif 7, du côté réseau électrique donné 1.In this way, the reactive power consumed by the load 2 is completely compensated, within the limit of the dimensioning of the device 7, on the given electrical network side 1.
Il est à noter que tout courant perturbateur à fréquence inclut dans la bande de fréquences de la boucle de contrôle du courant injecté, allant de 0 Hz à 2500 Hz, peut être compensé/filtré par le dispositif 7, comme décrit dans la
L’élément de stockage d’énergie capacitif 3The Capacitive Energy Storage Element 3
L’élément de stockage d’énergie capacitif 3 comprend le ou les condensateurs connectés en amont à l’entrée DC de l’onduleur et en aval à la sortie DC de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100. La tension continue appliquée au bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 Vdcest à maintenir constante par l’unité de contrôle-commande 12. Cette tension peut être supérieure à 1000 V lors de l’emploi de l’onduleur Ond-Cr à composants rapide (supérieur à 80 kHz), ce qui favorise la dynamique globale du filtre actif.The capacitive energy storage element 3 comprises the capacitor or capacitors connected upstream to the DC input of the inverter and downstream to the DC output of the renewable energy generation power unit 100. The voltage DC applied to the terminals of the capacitive energy storage element 3 V dc is to be kept constant by the control-command unit 12. This voltage may be greater than 1000 V when using the Ond- Fast component Cr (above 80 kHz), which favors the overall dynamics of the active filter.
Il est à noter que pour la même puissance de dimensionnement que l’Ond-Cr, des limitations de nature industrielles sont imposées à l’onduleur classique en silicium, en fréquence de commutation à 16 kHz et en tension DC à 800 V.It should be noted that for the same sizing power as Ond-Cr, limitations of an industrial nature are imposed on the classic silicon inverter, in terms of switching frequency at 16 kHz and DC voltage at 800 V.
Un dispositif de production d’énergie renouvelable assure la production de la puissance maximale active de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, tout en offrant la possibilité de compenser la totalité ou une partie de la puissance réactive et/ou du courant déséquilibré. Ce mode de fonctionnement prévoit, en option, une gestion de la charge/décharge du système de stockage d’énergie (batteries ou autres technologies de stockage d’énergie).A renewable energy generating device ensures the production of the maximum active power of the renewable energy generating power unit 100, while offering the possibility of compensating all or part of the reactive power and/or the unbalanced current. This operating mode provides, as an option, charge/discharge management of the energy storage system (batteries or other energy storage technologies).
Dans ce mode de réalisation, le dispositif fonctionne en tant que système d’énergie renouvelable. Le dispositif injecte dans ce cas uniquement la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, avec la possibilité de compenser de la puissance réactive et du déséquilibre du courant.In this embodiment, the device operates as a renewable energy system. The device in this case injects only the maximum power of the renewable energy generation power unit 100, with the possibility of compensating reactive power and current imbalance.
Dans ce mode de réalisation, le filtre 11 de sortie peut être un LCL ou L-Ond-Cr avec L-Ond-Cr inférieure ou égale à Lf1+Lf2du filtre LCL.In this embodiment, the output filter 11 can be an LCL or L-Ond-Cr with L-Ond-Cr less than or equal to L f1 +L f2 of the LCL filter.
Dans ce mode de réalisation, le fonctionnement en filtre actif peut être une option.In this embodiment, active filter operation may be an option.
Le dispositif de production d’énergie renouvelable peut être associé au filtre actif parallèle, la gestion de la charge/décharge du système de stockage d’énergie (batteries ou autres technologies de stockage d’énergie) est une option.The renewable energy production device can be associated with the parallel active filter, the management of the charge/discharge of the energy storage system (batteries or other energy storage technologies) is an option.
Dans un autre aspect de l’invention, il est proposé un dispositif de compensation 7 de courant du type filtre actif parallèle, apte à être connecté :In another aspect of the invention, there is proposed a current compensation device 7 of the parallel active filter type, able to be connected:
- à son entrée, en aval d’au moins une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 couplée à un élément de stockage d’énergie capacitif 3, etat its input, downstream of at least one renewable energy generation power unit 100 coupled to a capacitive energy storage element 3, and
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement C entre d’une part un réseau électrique donné 1, et d’autre part des charges 2 électriques non linéaires et linéaires,in parallel, at its output, upstream to a connection point C between on the one hand a given electrical network 1, and on the other hand non-linear and linear electrical loads 2,
le dispositif de compensation de courant 7 présentant :the current compensation device 7 having:
- une unité de conversion 8 de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension 9 à commutation rapide à composants en carbure de silicium SiC ou en nitrure de gallium GaN,a power conversion unit 8, comprising at least one fast-switching voltage structure power inverter 9 with silicon carbide SiC or gallium nitride GaN components,
l’unité de conversion 8 générant un courant alternatif à la fréquence 50 Hz, couvrant le courant actif maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ;the conversion unit 8 generating an alternating current at the frequency of 50 Hz, covering the maximum active current generated by the renewable energy generation power unit 100;
- une unité de filtrage 10 de sortie, comportant un filtre 11 de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur 9, et d’autre part en parallèle au point de raccordement C entre le réseau électrique donné 1 et les charges 2 électriques non linéaires et linéaires, le filtre 11 de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation rapide de l’onduleur 9 ;an output filtering unit 10, comprising an output filter 11 for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter 9, and on the other hand in parallel to the connection point C between the given electrical network 1 and the non-linear and linear electrical loads 2, the output filter 11 being sized to block the harmonic components due to the rapid switching of the inverter 9;
le filtre de sortie est un filtre de premier ordre de type inductance L, évitant la résonance entre un filtre LCL et le réseau électrique donné 1 et au moins 10 fois inférieure à l ’inductance d’un filtre de premier ordre connecté en sortie à un onduleur à composants en silicium ;the output filter is an L-type inductance first-order filter, avoiding resonance between an LCL filter and the given power grid 1 and at least 10 times lower than the inductance of a first-order filter connected at the output to a silicon component inverter;
- une unité de contrôle-commande 12 comprenant une unité de calcul 25 de courants de référence, les courants de référence comprenant :a control-command unit 12 comprising a unit 25 for calculating reference currents, the reference currents comprising:
- au moins un courant actif correspondant à un point de puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ;at least one active current corresponding to a maximum power point of the renewable energy generation power unit 100;
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3,at least one active current for recharging the capacitive energy storage element 3,
- avantageusement : au moins un courant généré par les charges 2 non linéaires et linéaires,advantageously: at least one current generated by the non-linear and linear loads 2,
présentant à la fréquence fondamentale tout ou une partie du courant réactif et/ou du déséquilibre de courant,presenting all or part of the reactive current and/or the current unbalance at the fundamental frequency,
l’unité de contrôle-commande 12 comprenant également :the control-command unit 12 also comprising:
- un contrôleur à mode glissant continu de 1er ordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ; ou un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam.- a 1st order continuous sliding mode controller with an approximated sign function in Sigmoid function; or an improved linear controller of the RST am type.
- un dispositif de pilotage de commutation 21 qui commande la commutation de l’onduleur 9 et qui assure en boucle fermée le contrôle à la fréquence fondamentale 50 Hz pour l’injection par l’onduleur, du courant perturbateur non actif (réactif et déséquilibré) et du courant actif, en fonction de l’identification des courants de référence par l’unité de calcul 25,- a switching control device 21 which controls the switching of the inverter 9 and which provides closed-loop control at the fundamental frequency 50 Hz for the injection by the inverter of the non-active disturbance current (reactive and unbalanced) and the active current, depending on the identification of the reference currents by the calculation unit 25,
- un régulateur 62 de type PI, qui assure à sa sortie la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100,- a PI type regulator 62, which ensures at its output the maximum power of the renewable energy generation power unit 100,
la commande de commutation de l’onduleur 9 étant réalisée de manière à laisser passer à travers l’unité de filtrage 10 de sortie au point de raccordement C :the switching control of the inverter 9 being carried out in such a way as to let pass through the output filter unit 10 at the connection point C:
- un courant actif correspondant à un point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges 2 électriques non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif 3.an active current corresponding to a maximum power point available within the renewable energy generation power unit 100, to satisfy the active energy consumption demand of the non-linear and linear electrical loads 2, while ensuring the charging the capacitive energy storage element 3.
- avantageusement : une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant des courants réactifs et déséquilibrés à la fréquence fondamentale, dans les charges 2 électriques non linéaires et linéaires,advantageously: some or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition comprising reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in the non-linear and linear electrical loads 2,
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie réactive des charges 2 électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné 1 de ces courants perturbateurs non actifs.to satisfy the demand for reactive energy consumption of non-linear and linear electrical loads 2, while decontaminating the given electrical network 1 of these non-active disturbance currents.
Avantageusement, le dispositif présente seulement deux niveaux de tension.Advantageously, the device has only two voltage levels.
Dans un autre aspect de l’invention, l’un des modes de réalisation du dispositif de compensation 7 est compris dans un système électrique comprenant un réseau électrique donné 1, des charges 2 non linéaires ou linéaires.In another aspect of the invention, one of the embodiments of the compensation device 7 is included in an electrical system comprising a given electrical network 1, non-linear or linear loads 2.
Avantageusement, le système est connecté en amont à une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100.Advantageously, the system is connected upstream to a renewable energy generation power unit 100.
L’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 peut être :The renewable energy generation power unit 100 can be:
- choisie parmi la liste suivante : un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, éolienne(s), pile(s) à combustible, etchosen from the following list: one or more photovoltaic panels, wind turbine(s), fuel cell(s), and
- couplée, directement ou via un dispositif d’électronique de puissance DC/DC à un élément de stockage capacitif 3 en cas d’une production continue, ou via un redresseur de puissance alternatif/continu en cas d’une production alternative.coupled, directly or via a DC/DC power electronics device to a capacitive storage element 3 in the case of continuous production, or via an AC/DC power rectifier in the case of AC production.
Le réseau électrique donné 1 peut être choisi parmi la liste suivante : le réseau électrique principal, un micro-réseau électrique local îloté ou raccordé au réseau électrique principal, ou un réseau électrique embarqué.The given electrical network 1 can be chosen from the following list: the main electrical network, a local electrical micro-network islanded or connected to the main electrical network, or an on-board electrical network.
Dans un mode de réalisation, le système comporte en outre un bâtiment intelligent 27.In one embodiment, the system further includes a smart building 27.
Avantageusement, l’un des modes de réalisation du dispositif de compensation 7 est installé au sein du bâtiment 27 dit intelligent, c’est-à-dire que les appareils électriques que contient le bâtiment intelligent 27 peuvent, entres autres, être commandés et activés sélectivement par une unité de gestion décentralisée 70, par exemple pour fonctionner lors des périodes dites creuses de la journée, pendant lesquelles la demande énergétique du réseau électrique donné 1 est faible et le coût de l’énergie, du point de vue du consommateur, diminue.Advantageously, one of the embodiments of the compensation device 7 is installed within the so-called smart building 27, that is to say that the electrical appliances contained in the smart building 27 can, among other things, be controlled and activated selectively by a decentralized management unit 70, for example to operate during so-called off-peak periods of the day, during which the energy demand of the given electrical network 1 is low and the cost of energy, from the consumer's point of view, decreases .
L’unité de contrôle-commande 12 est connectée à l’unité de gestion décentralisée 70 du bâtiment intelligent 27. L’unité de gestion décentralisée 70 communique en temps réel à l’unité contrôle-commande 12 les puissances des charges (appareils électriques) en état de marche ou non du bâtiment 27 ; l’unité de contrôle-commande 12 peut comparer la puissance maximale disponible de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 avec la charge totale du bâtiment intelligent 27.The control-command unit 12 is connected to the decentralized management unit 70 of the intelligent building 27. The decentralized management unit 70 communicates in real time to the control-command unit 12 the powers of the loads (electrical appliances) in working order or not of building 27; the control-command unit 12 can compare the maximum available power of the renewable energy generation power unit 100 with the total load of the intelligent building 27.
L’unité de contrôle-commande 12, ayant en temps réel la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 délivrée par l’unité 25-B et le régulateur 62 ainsi que les puissances des charges en état de marche ou non du bâtiment 27 communiquées par l’unité de gestion décentralisée 70, est configurée pour réguler la consommation des différents appareils selon au moins deux modes de répartition économique des charges.The control-command unit 12, having in real time the maximum power of the renewable energy generation power unit 100 delivered by the unit 25-B and the regulator 62 as well as the powers of the loads in the state of operation or not of the building 27 communicated by the decentralized management unit 70, is configured to regulate the consumption of the various devices according to at least two modes of economic distribution of the loads.
Avantageusement, l’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour optimiser la consommation des différents appareils fonctionnant au sein de ce bâtiment intelligent 27 en répartissant les charges correspondant aux charges non-linéaires/linéaires selon au moins deux modes de fonctionnement :Advantageously, the control-command unit 12 is configured to optimize the consumption of the various devices operating within this intelligent building 27 by distributing the loads corresponding to the non-linear/linear loads according to at least two operating modes:
- un premier mode de répartition, dit mode de consommation adaptée dans lequel l’unité de contrôle-commande 12 pilote l’unité de gestion décentralisée 70 du bâtiment intelligent 27 de manière à adapter la consommation du bâtiment intelligent avec la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, pour que la courbe de charge totale du bâtiment intelligent présente un facteur de simultanéité maximal correspondant au fonctionnement de toutes les charges utiles du bâtiment en même temps, dans la limite de l’énergie renouvelable produite,a first distribution mode, called adapted consumption mode, in which the control-command unit 12 controls the decentralized management unit 70 of the intelligent building 27 so as to adapt the consumption of the intelligent building with the production of the unit of power at renewable energy generation 100, so that the total load curve of the smart building has a maximum simultaneity factor corresponding to the operation of all the payloads of the building at the same time, within the limit of the renewable energy produced,
le premier mode possède une gestion charge/décharge des batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie au sein du même bâtiment intelligent à énergie positive 27 ou entre les bâtiments 27 interconnectés via les unités contrôle-commande 12 des dispositif de compensation 7 (ce premier mode de fonctionnement prévoit, suivant la stratégie adoptée par le producteur/cons-producteur) ;the first mode has charge/discharge management of the batteries or other energy storage systems within the same positive energy smart building 27 or between the buildings 27 interconnected via the control-command units 12 of the compensation device 7 ( this first mode of operation provides, according to the strategy adopted by the producer/cons-producer);
- en cas d’insuffisance de production d’énergie renouvelable, un deuxième mode de répartition, dit mode de consommation modulée dans lequel l’unité de contrôle-commande 12 pilote l’unité de gestion décentralisée 70 du bâtiment intelligent 27 de manière à moduler la consommation des appareils du bâtiment intelligent 27 pour tendre à une courbe de charge totale du bâtiment intelligent sensiblement constante en fonction du temps ;in the event of insufficient renewable energy production, a second distribution mode, called modulated consumption mode, in which the control-command unit 12 controls the decentralized management unit 70 of the intelligent building 27 so as to modulate the consumption of the devices of the intelligent building 27 to tend to a substantially constant total load curve of the intelligent building as a function of time;
- dans le même cas de figure et si le réseau électrique donné 1 est intelligent, un troisième mode de répartition est adapté à la production du réseau électrique 1 est envisageable.in the same case and if the given electrical network 1 is intelligent, a third mode of distribution is adapted to the production of the electrical network 1 is possible.
On désigne par les charges utiles du bâtiment, la quantité d'électricité maximale supportée par ce réseau électrique donné 1.We denote by the payloads of the building, the maximum quantity of electricity supported by this given electrical network 1.
Avantageusement, le système comprend en outre :Advantageously, the system further comprises:
- un réseau local 28 connecté au réseau électrique donné 1, eta local network 28 connected to the given electrical network 1, and
- des unités de production d’énergie conventionnelle 80, et80 conventional power generation units, and
- un système de gestion semi-décentralisée 29, eta semi-decentralized management system 29, and
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 connectées au réseau local 28, par un dispositif de compensation 7, chaque dispositif de compensation 7 étant connecté au système de gestion semi-décentralisée 29 auquel il communique des informations concernant la production d’énergie, actuelle et à venir, de chacune des unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, eta plurality of power units with renewable energy generation 100 connected to the local network 28, by a compensation device 7, each compensation device 7 being connected to the semi-decentralized management system 29 to which it communicates information concerning the production of energy, present and future, of each of the 100 renewable energy generating power units, and
- une pluralité de postes de consommation correspondant aux charges 2 non linéaires et linéaires, chacun des postes de consommation étant connecté au réseau local 28 et équipé par un dispositif de compensation 7, connecté au système de gestion semi-décentralisée 29 auquel il communique des informations concernant la consommation instantanée et la consommation à venir en fonction du fonctionnement programmé des postes de consommation,a plurality of consumption stations corresponding to the non-linear and linear loads 2, each of the consumption stations being connected to the local network 28 and equipped with a compensation device 7, connected to the semi-decentralized management system 29 to which it communicates information concerning instantaneous consumption and future consumption according to the programmed operation of the consumption stations,
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et de charges linéaires et non linéaires 2 des bâtiments intelligents 27 à énergie positive, qui assurent l’autoconsommation et où le surplus éventuel d’énergie est stocké ou échangé avec les autres bâtiments intelligents ou délivré au réseau local 28 via l’unité de contrôle-commande 12 du dispositif de compensation 7, en coordination avec le système de gestion semi-décentralisée 29 en cas d’échange avec le réseau local 28.a plurality of power units with renewable energy generation 100 and linear and non-linear loads 2 of the smart buildings 27 with positive energy, which ensure self-consumption and where any surplus energy is stored or exchanged with the others intelligent buildings or delivered to the local network 28 via the control-command unit 12 of the compensation device 7, in coordination with the semi-decentralized management system 29 in the event of an exchange with the local network 28.
On désigne par des unités de production d’énergie conventionnelle, l’énergie nucléaire et les énergies fossiles tels que le charbon, le gaz, le pétrole, etc.Conventional energy production units refer to nuclear energy and fossil fuels such as coal, gas, oil, etc.
Dans un mode de réalisation, le système de gestion semi-décentralisée 29 est configuré pour assurer la répartition économique de production des unités de production d’énergie conventionnelle 80.In one embodiment, the semi-decentralized management system 29 is configured to ensure the economic distribution of production from the conventional energy production units 80.
Selon la présente invention, les termes « répartition économique », « dispatching économique », «Economic Dispatch »et «Unit Commitment »sont utilisés indifféremment par l’homme du métier.According to the present invention, the terms “economic dispatch”, “economic dispatching”, “ Economic Dispatch” and “ Unit Commitment” are used interchangeably by those skilled in the art.
Avantageusement, le système de gestion semi-décentralisée 29 est configuré pour intervenir quand la demande totale d’énergie au sein du réseau local 28 est supérieure à la production totale, auprès des unités de contrôle décentralisé 70 des bâtiments intelligent 27, via les unités de contrôle-commande 12 des dispositifs de compensation 7, pour les faire basculer vers un mode de consommation modulée.Advantageously, the semi-decentralized management system 29 is configured to intervene when the total demand for energy within the local network 28 is greater than the total production, with the decentralized control units 70 of the intelligent buildings 27, via the control units control-command 12 of the compensation devices 7, to switch them to a modulated consumption mode.
Avantageusement, le système de gestion semi-décentralisée 29 est configuré pour piloter la distribution sur le réseau local 28 de la puissance provenant du réseau électrique donné 1 si la production totale estimée ne couvre pas la demande.Advantageously, the semi-decentralized management system 29 is configured to control the distribution on the local network 28 of the power coming from the given electrical network 1 if the estimated total production does not cover the demand.
Dans un premier mode de répartition économique des charges, le bâtiment intelligent 27 comportant une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et en cas d’une forte disponibilité des sources primaires renouvelables, l’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour piloter l’unité de gestion décentralisée 70 de manière à activer la plupart des appareils utiles du bâtiment intelligent 27 en fonction de la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; ce mode de consommation est appelé mode adapté.In a first mode of economical load distribution, the intelligent building 27 comprising a renewable energy generation power unit 100 and in the event of high availability of renewable primary sources, the control-command unit 12 is configured to control the decentralized management unit 70 so as to activate most of the useful devices of the intelligent building 27 according to the production of the renewable energy generation power unit 100; this mode of consumption is called adapted mode.
Ce mode de répartition prévoie un stockage du surplus d’énergie dans un parc de batteries ou dans un autre système de stockage d’énergie.This mode of distribution provides for the storage of excess energy in a battery bank or in another energy storage system.
Dans un deuxième mode de réalisation, où l’énergie primaire renouvelable est peu disponible, l’unité de contrôle-commande 12 est configurée pour piloter l’unité de gestion décentralisée 70 de manière à activer sélectivement les appareils du bâtiment intelligent 27, de manière à présenter une courbe de charge plate ou autres, suivant la puissance productible du réseau électrique donné 1 ; ce mode de consommation est appelé mode modulé.In a second embodiment, where the renewable primary energy is not very available, the control-command unit 12 is configured to control the decentralized management unit 70 so as to selectively activate the devices of the intelligent building 27, so as to to present a flat or other load curve, depending on the producible power of the given electrical network 1; this mode of consumption is called modulated mode.
Cela permet d’éviter des pics de demande sur le réseau électrique donné 1 et de bénéficier d’un coût réduit de l’énergie consommée.This makes it possible to avoid peaks in demand on the given electrical network 1 and to benefit from a reduced cost of the energy consumed.
Dans ce deuxième mode de réalisation, une gestion de l’énergie stockée dans les batteries (ou dans d’autres systèmes de stockage d’énergie) est prévue pour compléter l’énergie d’origine renouvelable produite par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 et répondre au mieux à la demande des charges activées du bâtiment 27.In this second embodiment, management of the energy stored in the batteries (or in other energy storage systems) is provided to supplement the energy of renewable origin produced by the generation power unit of renewable energy 100 and best meet the demand of the activated loads of building 27.
Dans un mode de réalisation, les dispositifs de compensation 7 ainsi que les unités de gestion décentralisée 70 des bâtiments 27 voisins sont interconnectés, ce qui permet d’assurer une gestion des cycles charge/décharge des batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie installés au sein des bâtiments 27.In one embodiment, the compensation devices 7 as well as the decentralized management units 70 of the neighboring buildings 27 are interconnected, which makes it possible to ensure management of the charge/discharge cycles of the batteries or other energy storage systems. energy installed in buildings 27.
Dans un premier mode de fonctionnement, le surplus d’énergie de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 installée au sein d’un bâtiment 27 peut-être fourni, via les unités 12 des dispositifs 7 et les unités de gestion décentralisée 70 concernées, aux autres bâtiments 27 voisins, pour couvrir leurs demandes énergétiques et/ou pour stocker de l’énergie dans leurs systèmes de stockage (batteries ou autres).In a first mode of operation, the surplus energy of the renewable energy generation power unit 100 installed within a building 27 can be supplied, via the units 12 of the devices 7 and the management units decentralized 70 concerned, to other neighboring buildings 27, to cover their energy demands and/or to store energy in their storage systems (batteries or other).
Dans un deuxième mode de fonctionnement, l’énergie stockée dans un système de stockage (batteries ou autres) d’un bâtiment 27 peut-être fournie, via les unités 12 des dispositifs 7 et les unités de gestion décentralisée 70 concernées, aux autres bâtiments 27 voisins, pour couvrir leurs demandes énergétiques et/ou pour stocker l’énergie dans leurs systèmes de stockage.In a second mode of operation, the energy stored in a storage system (batteries or other) of a building 27 can be supplied, via the units 12 of the devices 7 and the decentralized management units 70 concerned, to the other buildings 27 neighbours, to cover their energy demands and/or to store energy in their storage systems.
Dans un troisième mode de fonctionnement, l’énergie stockée dans les systèmes de stockage (batteries ou autres) des bâtiments 27 peut être fournie, via les unités 12 des dispositifs 7 et les unités de gestion décentralisée 70 concernées, au réseau local 28 via le système de gestion semi-décentralisée 29 auquel les dispositifs de compensation 7 sont connectés informatiquement.In a third mode of operation, the energy stored in the storage systems (batteries or other) of the buildings 27 can be supplied, via the units 12 of the devices 7 and the decentralized management units 70 concerned, to the local network 28 via the semi-decentralized management system 29 to which the compensation devices 7 are computer-connected.
La majeure partie voire l’intégralité de l’énergie consommée est, dans ce cas, d’origine renouvelable, ce qui permet de minimiser la consommation d’énergie provenant du réseau électrique donné 1. En cas de forte nécessité d’alimentation et en complément du deuxième mode de répartition et si le réseau électrique donné 1 est intelligent, un quatrième mode de répartition adapté à la production du réseau électrique donné 1 intelligent est envisageable.Most or even all of the energy consumed is, in this case, of renewable origin, which makes it possible to minimize the consumption of energy from the given electrical network 1. In the event of a strong need for power supply and in complement of the second distribution mode and if the given electrical network 1 is intelligent, a fourth distribution mode adapted to the production of the given electrical network 1 intelligent is possible.
Dans un mode de réalisation, le dispositif de compensation 7 est installé entre le réseau électrique donné 1 et un site industriel ou un bâtiment résidentiel, administratif ou commercial, chacun de ces bâtis est assimilable du point de vue du réseau électrique donné 1 à une charge perturbatrice non linéaire/linéaire 2.In one embodiment, the compensation device 7 is installed between the given electrical network 1 and an industrial site or a residential, administrative or commercial building, each of these frames is comparable from the point of view of the given electrical network 1 to a load nonlinear/linear disturbance 2.
Dans un mode de réalisation, le système comporte une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100, par exemple de type éolien ou photovoltaïque, chacune connectée, directement ou via un dispositif 7, à un réseau local 28, lui-même connecté au réseau électrique donné 1.In one embodiment, the system comprises a plurality of renewable energy generation power units 100, for example of the wind or photovoltaic type, each connected, directly or via a device 7, to a local network 28, itself even connected to the given power grid 1.
Le réseau local 28 correspond aux acteurs producteurs, consommateurs et conso-producteurs (des bâtis à autoconsommation ou à énergie positive).The local network 28 corresponds to producers, consumers and consumer-producers (self-consumption or positive energy buildings).
Dans la plupart du temps, chaque unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 est connectée au réseau local 28 au moyen d’un dispositif de compensation 7 configuré pour maximiser la production de puissance de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ainsi que pour empêcher la propagation des perturbations électriques, en cas de leurs présence, du côté amont du dispositif de compensation 7 vers le réseau local 28 et du réseau électrique donné 1.Most of the time, each renewable energy generating power unit 100 is connected to the local network 28 by means of a compensation device 7 configured to maximize the power production of the renewable energy generating power unit. renewable 100 as well as to prevent the propagation of electrical disturbances, in the event of their presence, on the upstream side of the compensation device 7 towards the local network 28 and the given electrical network 1.
Chaque dispositif de compensation 7 est connecté, informatiquement, à un système de gestion semi-décentralisée 29, auquel il communique, en temps réel, des informations concernant la consommation ainsi que la production d’énergie des unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 réelle et prévisionnelle.Each compensation device 7 is connected, by computer, to a semi-decentralized management system 29, to which it communicates, in real time, information concerning the consumption as well as the energy production of the power units with renewable energy generation. 100 actual and forecast.
En outre, le système de gestion semi-décentralisée 29 reçoit des informations en temps réel sur le productible d’énergie des unités de production d’énergie conventionnelle (fossile) 80, installées au sein du réseau local 28.In addition, the semi-decentralized management system 29 receives real-time information on the energy producible from the conventional (fossil) energy production units 80, installed within the local network 28.
Le système de gestion semi-décentralisée 29 gère la répartition économique des générateurs à énergies conventionnelles (fossiles) au sein du réseau local 28, en fonction de la production totale d’origine renouvelable ainsi que la consommation totale au sein du même réseau local 28.The semi-decentralized management system 29 manages the economic distribution of conventional (fossil) energy generators within the local network 28, according to the total production of renewable origin as well as the total consumption within the same local network 28.
Le système de gestion semi-décentralisée 29 reçoit en temps réel les informations sur les puissances d’origine renouvelable et conventionnelle disponibles à tout moment sur le réseau local 28.The semi-decentralized management system 29 receives information in real time on the powers of renewable and conventional origin available at any time on the local network 28.
Le système comporte également une pluralité de postes de consommation, par exemple un bâtiment intelligent ou un site industriel intelligent, chaque poste de consommation étant assimilable du point de vue du réseau à une charge 2 non linéaire/linéaire, chacun des postes de consommation étant connecté au réseau local 28, est équipé d’un dispositif de compensation 7 configuré pour dépolluer le courant circulant du côté réseau local 28 des perturbations causées par la charge 2 et pour piloter l’activation des différents appareils du poste de consommation via l’unité de gestion décentralisée 70.The system also comprises a plurality of consumption stations, for example an intelligent building or an intelligent industrial site, each consumption station being comparable from the point of view of the network to a non-linear/linear load 2, each of the consumption stations being connected to the local network 28, is equipped with a compensation device 7 configured to clean up the current circulating on the local network 28 side of the disturbances caused by the load 2 and to control the activation of the various devices of the consumption station via the decentralized management 70.
Chaque dispositif de compensation 7 est connecté au système de gestion semi-décentralisée 29, auquel il communique des informations concernant la consommation instantanée et la consommation à venir, en fonction du fonctionnement programmé des postes de consommation, de manière à estimer la demande en énergie.Each compensation device 7 is connected to the semi-decentralized management system 29, to which it communicates information concerning the instantaneous consumption and the consumption to come, according to the programmed operation of the consumption stations, so as to estimate the energy demand.
Le système de gestion semi-décentralisée 29 recevant à tout moment l’ensemble des données (réelles et prévisionnelles) de l’énergie productible ainsi que celles à consommer par les différents acteurs du réseau local 28 (producteur, consommateurs, conso-producteurs), il peut intervenir, uniquement en cas de besoin quand la demande totale d’énergie au sein du réseau local 28 est largement supérieure à la production totale, auprès des pilotes des unités de contrôle décentralisée des bâtiments intelligents 27 pour faire basculer le mode de consommation en mode modulé (courbe de charge plate) au profit du système global.The semi-decentralized management system 29 receiving at any time all the data (actual and forecast) of the energy that can be produced as well as that to be consumed by the various actors of the local network 28 (producer, consumers, consumer-producers), it can intervene, only if necessary when the total demand for energy within the local network 28 is much greater than the total production, with the pilots of the decentralized control units of the intelligent buildings 27 to switch the consumption mode to modulated mode (flat load curve) for the benefit of the overall system.
Il est entendu par poste/acteur conso-producteur un bâtiment à autoconsommation ou à énergie positive. Le système de gestion semi-décentralisée 29 est donc configuré pour estimer, sur une période donnée, la demande totale en énergie du réseau local 28 qu’il supervise.A consumer-producer station/actor is understood to mean a self-consumption or positive energy building. The semi-decentralized management system 29 is therefore configured to estimate, over a given period, the total energy demand of the local network 28 that it supervises.
En fonction des estimations de production de puissance et de demande en énergie, le système de gestion semi-décentralisée 29 est configuré pour :Depending on the power production and energy demand estimates, the semi-decentralized management system 29 is configured to:
- effectuer, en temps réel, la répartition économique de production aux unités de production d’énergie conventionnelle 80,- carry out, in real time, the economic distribution of production to conventional energy production units 80,
- intervenir, uniquement en cas de besoin quand la demande totale d’énergie au sein du réseau local 28 est largement supérieure à la production totale, auprès des unités de gestion décentralisée 70, via les unités contrôle-commande 12 des dispositifs 7, pour faire basculer le mode de consommation en mode modulé (courbe de charge plate),- intervene, only if necessary when the total demand for energy within the local network 28 is much greater than the total production, with the decentralized management units 70, via the control-command units 12 of the devices 7, to make switch the consumption mode to modulated mode (flat load curve),
- piloter, en dernier recours et en cas de risque de déficit de production, le disjoncteur 90 pour permettre une consommation énergétique de la part du réseau électrique donné 1. Ce mode de fonctionnement n’est pas possible quand le réseau local est îloté, c’est-à-dire non relié au réseau électrique donné 1.- control, as a last resort and in the event of a risk of production deficit, the circuit breaker 90 to allow energy consumption on the part of the given electrical network 1. This mode of operation is not possible when the local network is islanded, c i.e. not connected to the given electrical network 1.
Le système de gestion 29 est donc habilité à prioriser le fonctionnement de certains postes de consommation par rapport à d’autres, afin de répartir la demande en énergie sur la période donnée.The management system 29 is therefore empowered to prioritize the operation of certain consumption items in relation to others, in order to distribute the energy demand over the given period.
De plus, le système de gestion semi-décentralisée 29 peut répartir dans le temps la demande en puissance de manière à ce que, lorsqu’une puissance provenant du réseau électrique donné 1 est nécessaire, elle est consommée lors de périodes de faible demande, de manière à minimiser les coûts et éviter de charger le réseau électrique donné 1 lors de pics de demande.In addition, the semi-decentralized management system 29 can spread the power demand over time so that when power from the given electrical network 1 is needed, it is consumed during periods of low demand, so as to minimize costs and avoid loading the given electrical network 1 during demand peaks.
Il est à noter que la maximisation de la puissance des unités de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ainsi que l’optimisation de la consommation, au sein d’un bâtiment intelligeant 27, sont assurées localement par les dispositifs 7 via les unités de contrôle-commande 12. Le système de gestion semi-décentralisée 29 est appelé ainsi car il n’est sollicité que pour assurer la répartition économique de production des unités de production d’énergie conventionnelle 80 et pour redresser la consommation en cas de besoin.It should be noted that the maximization of the power of the power units with renewable energy generation 100 as well as the optimization of the consumption, within an intelligent building 27, are ensured locally by the devices 7 via the units of control-command 12. The semi-decentralized management system 29 is so called because it is called upon only to ensure the economic distribution of production from the conventional energy production units 80 and to rectify consumption if necessary.
Comparaison Invention/Art antérieurComparison Invention/Prior Art
- Structure générale du filtre actif parallèle de l’art antérieurGeneral structure of the parallel active filter of the prior art
Topologie généraleGeneral topology
La
- d’un onduleur de tension à deux niveaux de tension à base d’interrupteurs de puissance en silicium, commandables à l’amorçage et au blocage (GTO, IGBT, …), avec des diodes en antiparallèle,- a voltage inverter with two voltage levels based on silicon power switches, controllable on starting and blocking (GTO, IGBT, etc.), with antiparallel diodes,
- d’un circuit capacitif de stockage d’énergie (un bus continu),- a capacitive energy storage circuit (a DC bus),
- d’un filtre de sortie.- an output filter.
Le circuit de contrôle-commande quant à lui, est constitué :The control-command circuit is made up of:
- de la méthode d’identification des courants perturbés,- the method for identifying disturbed currents,
- du système à base de PLL (boucle à verrouillage de phase ou en anglais «Phase Locked Loop ») qui est intégré dans la méthode d’identification des courants perturbateurs,- the PLL-based system (Phase Locked Loop ) which is integrated into the method for identifying disturbance currents,
- de la régulation de la tension continue appliquée aux éléments de stockage d’énergie,- regulation of the DC voltage applied to the energy storage elements,
- du contrôle du courant injecté sur le réseau électrique donné 1 à partir de l’onduleur de tension,- control of the current injected into the given electrical network 1 from the voltage inverter,
- de la commande de l’onduleur de tension.- voltage inverter control.
Filtre de sortieOutput filter
Le filtre de sortie est un filtre passif utilisé pour connecter l’onduleur de tension au réseau électrique donné 1. Le filtre de sortie est dimensionné pour satisfaire les deux critères suivants :The output filter is a passive filter used to connect the voltage inverter to the given electrical network 1. The output filter is sized to satisfy the following two criteria:
- assurer la dynamique du courantensure the dynamics of the current
avec Ih_Lle courant harmonique contenu dans le courant de la charge ILet Iinjle courant du filtre actif injecté au réseau électrique donné 1,with I h_L the harmonic current contained in the current of the load I L and I inj the current of the active filter injected into the given electrical network 1,
- empêcher les composantes dues aux commutations de se propager sur le réseau électrique donné 1.prevent components due to switching from propagating on the given electrical network 1.
Deux types du filtre de sortie sont habituellement employés : un filtre de sortie de premier ordre et un filtre de sortie de troisième ordre associés tous les deux à un onduleur à deux niveaux de tension à composants classiques en silicium (Ond-Classique : IGBT, GTO, etc.) dont la fréquence de commutation est de l’ordre de 16 kHz.Two types of output filter are usually used: a first-order output filter and a third-order output filter, both associated with an inverter with two voltage levels with conventional silicon components (Ond-Classic: IGBT, GTO , etc.) whose switching frequency is of the order of 16 kHz.
Filtre de premier ordre (L-Classique)First Order Filter (L-Classic)
Ce type de filtre est le plus utilisé dans la littérature ; il est composé d’une simple inductance Lfde résistance interne pratiquement négligeable.This type of filter is the most used in the literature; it is composed of a simple inductance L f of practically negligible internal resistance.
Un filtre de ce type ne permet pas de satisfaire simultanément les deux critères de dimensionnement du filtre de sortie. En effet, seule une valeur relativement faible de Lfpeut réaliser une bonne dynamique du filtre actif en satisfaisant l’égalité ci-dessus.A filter of this type does not make it possible to simultaneously satisfy the two dimensioning criteria of the output filter. Indeed, only a relatively low value of L f can achieve good dynamics of the active filter by satisfying the equality above.
Malheureusement, une valeur faible de Lfpermet à la majorité des composantes dues aux commutations de se retrouver du côté réseau électrique donné 1 et par conséquent d’affecter les installations et les équipements électriques.Unfortunately, a low value of L f allows the majority of the components due to switching to be found on the given electrical network side 1 and consequently to affect the electrical installations and equipment.
Inversement, une valeur relativement élevée de Lfva empêcher ces composantes de se propager sur le réseau électrique donné 1, mais affectera la dynamique du filtre actif et dégradera alors la qualité de compensation.Conversely, a relatively high value of L f will prevent these components from propagating on the given electrical network 1, but will affect the dynamic range of the active filter and will then degrade the quality of compensation.
Le bon dimensionnement du filtre de sortie de premier ordre dépendra donc du compromis à trouver entre la dynamique et l’efficacité du filtre actif parallèle.The correct sizing of the first-order output filter will therefore depend on the compromise to be found between the dynamics and the efficiency of the parallel active filter.
Afin de réaliser ce compromis, l’inductance L-Classique est lourde, volumineuse, coûteuse et difficile à dimensionner. En effet, le filtre actif à Ond-Classique & L-Classique commercialisé, dimensionné pour injecter un courant de 50 A, a un poids de 75 kg, causé principalement par le filtre de sortie.In order to achieve this compromise, the L-Classic inductor is heavy, bulky, expensive and difficult to size. Indeed, the Ond-Classic & L-Classic active filter on the market, sized to inject a current of 50 A, has a weight of 75 kg, mainly caused by the output filter.
Afin d’alléger ces contraintes et surmonter ce compromis très difficile à fixer, l’emploi d’un filtre passif auxiliaire installé à la sortie de l’onduleur ou en amont du côté réseau électrique donné 1 est proposé.In order to alleviate these constraints and overcome this very difficult to fix compromise, the use of an auxiliary passive filter installed at the output of the inverter or upstream of the given electrical network side 1 is proposed.
Cependant, ce filtre auxiliaire peut causer des effets secondaires non désirés comme la résonance avec d’autres éléments passifs installés sur le réseau électrique donné 1.However, this auxiliary filter can cause unwanted side effects like resonance with other passive elements installed on the given power grid 1.
Il occasionne également une consommation de puissance active par sa résistance d’amortissement.It also causes active power consumption through its snubber resistor.
De plus, la qualité de filtrage de ces filtres auxiliaires se dégrade avec le temps à cause du vieillissement de leurs éléments passifs.In addition, the filtering quality of these auxiliary filters deteriorates over time due to the aging of their passive elements.
Filtre du troisième ordre (LCL) : modélisation dans le plan sThird-order filter (LCL): modeling in the s-plane
Le filtre de sortie de troisième ordre est une alternative à un filtre de premier ordre (L-Classique) lourd, volumineux, coûteux et difficile à dimensionner, permettant d’échapper aux problèmes évoqués dans le cas du filtre de sortie de premier ordre.The third-order output filter is an alternative to a heavy, bulky, expensive and difficult to size first-order (L-Classic) filter, allowing to escape the problems mentioned in the case of the first-order output filter.
Ce filtre de sortie, se compose de deux inductances (Lf1, Lf2) de résistances internes respectives (Rf1, Rf2) et d’une capacité Cfavec une petite résistance d’amortissement Rf(voir la
Il est à noter que (Ls, Rset es) représentent respectivement l’inductance, la résistance ainsi que la force électromotrice du réseau électrique donné 1 en amont.It should be noted that (L s , R s and e s ) represent respectively the inductance, the resistance as well as the electromotive force of the given electrical network 1 upstream.
Ce type de filtre et grâce au degré de liberté supplémentaire, fourni par la capacité Cf, pour des inductances Lf1, Lf2économique, légères et non encombrantes : la somme Lf1+Lf2est dix à vingt fois inférieure de L-Classique, peut assurer les deux critères du dimensionnement du filtre de sortie évoqués précédemment.This type of filter and thanks to the additional degree of freedom, provided by the capacitance C f , for inductances L f1 , L f2 economical, light and not bulky: the sum L f1 +L f2 is ten to twenty times less than L- Classic, can ensure the two criteria for sizing the output filter mentioned above.
Les équations qui modélisent le filtre de sortie sont :The equations that model the output filter are:
avec Vfla tension de sortie de l’onduleur, B1(s)/A(s) la fonction de transfert du filtre de sortie avec le réseau électrique donné 1 correspondant au système d’origine (à contrôler) et B2(s)/A(s) la fonction de transfert correspondant au modèle de perturbation.with V f the output voltage of the inverter, B 1 (s)/A(s) the transfer function of the output filter with the given electrical network 1 corresponding to the original system (to be controlled) and B 2 ( s)/A(s) the transfer function corresponding to the disturbance model.
Ces perturbations sont causées par la tension du réseau électrique donné 1 e(s) que l’on considère désormais égale à la tension de raccordement Vs pour les réseaux électriques de forte puissance de court-circuit.These disturbances are caused by the voltage of the given electrical network 1 e(s) which is now considered equal to the connection voltage Vs for electrical networks with high short-circuit power.
avecwith
Des relations précédentes, si nous négligeons toutes les résistances (sauf Rf), nous pouvons établir la relation suivante, valable aux fréquences supérieures à 50 Hz :From the previous relations, if we neglect all the resistances (except R f ), we can establish the following relation, valid at frequencies above 50 Hz:
La fréquence de résonancefcpdu filtre LCL, si nous négligeons dans ce cas la résistance Rfaussi, est donnée par la relation :The resonant frequency fcp of the LCL filter, if we neglect in this case also the resistance R f , is given by the relation:
Le filtre de sortie LCL est dimensionné pour rejeter les composantes dues à la fréquence de commutation de l’onduleur, laquelle a été fixée à 16 kHz, pour correspondre à un cas d’application industrielle.The LCL output filter is sized to reject the components due to the switching frequency of the inverter, which has been set at 16 kHz, to correspond to an industrial application case.
Ainsi, un rejet de plus que –50 dB est obtenu pour une fréquence de coupure de 1900 Hz.Thus, a rejection of more than –50 dB is obtained for a cutoff frequency of 1900 Hz.
Ce choix permet de bien atténuer les composantes à hautes fréquences, comme le montre le diagramme du gain du filtre de sortie en fonction de la fréquence de la
Néanmoins, le filtre de type LCL implique une commande non linéaire très sophistiquée et assez complexe à gérer ainsi, par conséquent, qu’une unité de calcul assez puissante. De plus, la maîtrise de l’antirésonance entre le filtre LCL et le réseau électrique donné 1, malgré la solution proposée dans le brevet (WO 2020/007884 A1), reste un point dont les industriels sont sceptiques.Nevertheless, the LCL type filter involves a very sophisticated and quite complex nonlinear control to manage as well as, consequently, a fairly powerful calculation unit. In addition, the control of antiresonance between the LCL filter and the given electrical network 1, despite the solution proposed in the patent (WO 2020/007884 A1), remains a point of which manufacturers are skeptical.
- Structure générale du filtre actif parallèle selon l’inventionGeneral structure of the parallel active filter according to the invention
Onduleur à composants de commutation rapide (Ond-Cr)Fast switching component inverter (Ond-Cr)
Cette onduleur est à base de composants d’électronique de puissance à commutations rapides de l’ordre de 80 à 100 kHz ou plus, suivant l’évolution de la technologie. Ces composants sont des transistors et diodes en carbure de silicium (SiC), les plus répandus actuellement sont les MOSFET SiC. Ces composants peuvent aussi être de technologie HEMT (« High electron mobility transistor », en français « Transistor à Haute Mobilité Electronique ») en nitrure de gallium (GaN) ou d’autres technologies. Cet onduleur Ond-Cr est efficient, fiable, léger, moins volumineux et avec une bonne évacuation de la chaleur en comparaison avec l’onduleur à composants classiques en silicium (IGBT, GTO etc.) Ond-Classique.This inverter is based on fast-switching power electronic components of the order of 80 to 100 kHz or more, depending on the evolution of technology. These components are silicon carbide (SiC) transistors and diodes, the most common currently being SiC MOSFETs. These components can also be of HEMT technology (“High electron mobility transistor”, in French “High Electronic Mobility Transistor”) in gallium nitride (GaN) or other technologies. This Ond-Cr inverter is efficient, reliable, lightweight, less bulky and with good heat dissipation compared to the inverter with conventional silicon components (IGBT, GTO etc.) Ond-Classic.
Il est à noter que des onduleurs à base de composants MOSFET et diodes en carbure de silicium (SiC), à génération continue ou fondamentale, ont été déjà proposés.It should be noted that inverters based on MOSFET components and silicon carbide (SiC) diodes, with continuous or fundamental generation, have already been proposed.
En revanche, les onduleurs à très haute fréquence et à base de SiC ou GaN ou d’autres technologies, pour le filtrage harmonique n’ont pas encore été ni étudiés ni réalisés.On the other hand, very high frequency inverters based on SiC or GaN or other technologies for harmonic filtering have not yet been studied or produced.
Il est à noter que la dynamique du filtre actif s’améliore davantage avec l’augmentation de la fréquence de commutation, ce qui favorise l’adoption de l’onduleur Ond-Cr dans la structure du filtre actif par rapport à l’onduleur Ond-Classique. En effet, la fréquence de commutation industrielle des onduleurs Ond-Cr est de 100 kHz, avec une monté en puissance rapide et prometteuse de cette fréquence, contre un seuil haut de la fréquence de commutation des filtres actifs, basés sur un onduleur Ond-Classique, commercialisés de 16 kHz.It should be noted that the dynamics of the active filter improves more with the increase of the switching frequency, which promotes the adoption of the Ond-Cr inverter in the structure of the active filter compared to the Ond inverter -Classic. Indeed, the industrial switching frequency of Ond-Cr inverters is 100 kHz, with a rapid and promising increase in power of this frequency, against a high threshold of the switching frequency of active filters, based on an Ond-Classic inverter , marketed from 16 kHz.
Filtre de premier ordre (L-Ond-Cr)First order filter (L-Ond-Cr)
L’emploi de l’onduleur Ond-Cr permet l’utilisation d’un filtre de sortie de premier ordre de type inductance simple de contraintes minimales (légère, économique, non volumineuse et très facile à dimensionner comparée au filtre de type L-Classique associé à l’onduleur Ond-Classique) appelé (L-Ond-Cr). En effet, une augmentation suffisante de la fréquence de commutation de l'onduleur limite les contraintes imposées au filtre de sortie, et une simple inductance (à valeur très réduite de la self : dix à vingt fois inférieure de L-Classique) devient ainsi capable d'empêcher la propagation des composantes de la fréquence de commutation de l'onduleur vers le côté réseau électrique donné 1, sans affecter la dynamique globale du système.The use of the Ond-Cr inverter allows the use of a first-order output filter of the simple inductance type with minimal constraints (light, economical, not bulky and very easy to size compared to the L-Classic type filter associated with the Ond-Classic inverter) called (L-Ond-Cr). Indeed, a sufficient increase in the switching frequency of the inverter limits the constraints imposed on the output filter, and a simple inductor (with a very low value of the choke: ten to twenty times lower than L-Classic) thus becomes capable of to prevent the propagation of the components of the switching frequency of the inverter towards the given power grid side 1, without affecting the overall dynamics of the system.
De plus, cette inductance L-Ond-Cr, dont la self a la taille inférieure ou égale à la somme des inductances (Lf1+Lf2) du filtre LCL, assure presque le même effet de rétention des composantes à hautes fréquence de commutation que le filtre LCL, sans risque de résonance et avec une commande beaucoup moins complexe à mettre en œuvre, pour, par conséquent, une unité de calcul moins puissante, comparé au filtre LCL.In addition, this inductance L-Ond-Cr, whose inductance has a size less than or equal to the sum of the inductances (L f1 +L f2 ) of the LCL filter, ensures almost the same retention effect of the components at high switching frequency. than the LCL filter, without risk of resonance and with a much less complex control to implement, for, consequently, a less powerful calculation unit, compared to the LCL filter.
Le filtre L-Ond-Cr est composé d’une simple inductance Lfde résistance interne pratiquement négligeable.The L-Ond-Cr filter is composed of a simple inductance L f of practically negligible internal resistance.
Selon un des aspects de l’invention, l’inductance L-Ond-Cr est dimensionnée telle que :According to one of the aspects of the invention, the L-Ond-Cr inductance is sized such that:
L-Ond-Cr Lf1+Lf2=200 à 500 μH, alors que l’inductance L-Classique est entre 2 à 5 mH selon la fréquence de commutation de l’onduleur Ond-Classique.L-Ond-Cr Lf1+Lf2=200 to 500 μH, while the L-Classic inductance is between 2 to 5 mH depending on the switching frequency of the Ond-Classic inverter.
En se basant sur l’équation (Maths. 1), les modèles du système à contrôler (système d’origine) B1(s)/A(s) et celui de perturbation B2(s)/A(s) sont donnés, pour le filtre L-Ond-Cr comme suit. Il est à noter que les perturbations sont causées par la tension du réseau électrique donné 1 que l’on considère désormais égale à la tension de raccordement en C (Vs) pour les réseaux électriques de forte puissance de court-circuit.Based on the equation (Maths. 1), the models of the system to be controlled (origin system) B 1 (s)/A(s) and that of disturbance B 2 (s)/A(s) are given, for the L-Ond-Cr filter as follows. It should be noted that the disturbances are caused by the voltage of the given electrical network 1 which is now considered equal to the connection voltage at C (Vs) for electrical networks with high short-circuit power.
avecwith
3. COMMANDES LINEAIRES ET NON LINEAIRES DE L’ONDULEUR DE TENSION OND-CLASSIQUE DE L’ETAT DE L’ART CONNECTE AU RESEAU VIA LE FILTRE L-Classique3. LINEAR AND NON-LINEAR CONTROLS OF THE STATE-OF-THE-ART OND-CLASSIC VOLTAGE INVERTER CONNECTED TO THE GRID VIA L-Classic FILTER
Contrôleur Propositionnel-Intégral PIPI Propositional-Integral Controller
La stratégie de contrôle est basée sur l'estimation des perturbations de courant au moyen d'un algorithme d'identification. Ensuite, l’onduleur de tension à composants classique en silicium (IGBT, GTO, etc.) Ond-Classique, commandé par la commande MLI (Modulation de Largeur d’imputation, ou en anglais « PWM :Pulse width modulation»), génère les courants injectés Iinjau réseau électrique donné 1, qui doivent poursuivre les courants de références identifiés Iref(
La tension du point de raccordement du réseau électrique donné 1 Vs représente ici une perturbation externe, dont les effets sont compensés en ajoutant la même tension de réseau électrique donné 1 au signal de commande (u). Cela empêchera le courant fondamental réactif de passer du réseau au filtre actif via l’inductance du filtre L-Classique. The given grid connection point voltage 1 Vs here represents an external disturbance, the effects of which are compensated by adding the same given grid voltage 1 to the control signal (u). This will prevent the reactive fundamental current from flowing from the network to the active filter via the L-Classic filter inductor .
Le diagramme général du système de commande du courant est représenté sur la
La fonction de transfert du contrôleur PI est donné par l’équation :The transfer function of the PI controller is given by the equation:
En se basant sur la formule (Maths.1) avec les paramètres qui modélise le filtre de sortie (L-Classique) (Maths. 2), et en employant le contrôleur PI, le système en boucle fermée devient :Based on the formula (Maths.1) with the parameters that models the (L-Classic) output filter (Maths. 2), and using the PI controller, the closed loop system becomes:
avec le numérateur N(PI)(s) de la fonction de transfert du contrôleur PI
Les paramètres Kpet Kisont choisi pour assurer une bonne poursuite, pour toute la bande de fréquences harmoniques, entre les courants injectés et ceux identifiés, avec un temps de réponse minimal ainsi qu’un rejet des perturbations (la tension du réseau Vs) maximal.The parameters K p and K i are chosen to ensure good tracking, for the entire band of harmonic frequencies, between the injected currents and those identified, with a minimum response time as well as rejection of disturbances (the network voltage V s ) maximum.
Contrôleur par placement de pôles RSTRST Pole Placement Controller
De l’équation (1) (Maths. 1) et en employant un contrôleur RST, nous obtenons :From equation (1) (Maths. 1) and using an RST controller, we get:
avec
L’ordre de
Il est à noter que
Enfin, les pôles de la boucle de contrôle sont placés afin d’assurer une réponse rapide et précise, avec un bon rejet des perturbations. Il est à noter que les valeurs des pôles sont limitées par la fréquence de coupure en boucle fermée.Finally, the poles of the control loop are placed in order to ensure a fast and precise response, with good rejection of disturbances. Note that the pole values are limited by the closed loop cutoff frequency.
Effet du déphasagePhase shift effect
Le contrôleur RST, ainsi que tous les contrôleurs linéaires, peuvent être utilisé quand les références à poursuivre sont constituées de signaux constants ou à une fréquence seule et relativement faible (cas de la compensation du réactif ou du déséquilibre à la fréquence fondamentale 50 Hz). A cette fréquence, le déphasage entre les références identifiées (
La fonction de transfert de la boucle de contrôle avec le RST de la figure 13a
Le gain et la phase de la fonction de transfert en boucle fermée
Tableau. I. Gain et la phase de la fonction de transfert en boucle fermée avec RST & LCL
Il est à noter que le contrôleur linéaire de RST assure un gain unitaire (
En effet, à cette fréquence, un déphasage du (-1°) est négligeable. Après cette fréquence, le déphasage n’est plus négligeable, et le filtre actif parallèle ne peut pas compenser les courants harmoniques.Indeed, at this frequency, a phase shift of (-1°) is negligible. After this frequency, the phase shift is no longer negligible, and the parallel active filter cannot compensate for harmonic currents.
Contrôle non linéaire (par mode glissant- de premier ordre)Nonlinear control (by sliding mode - first order)
La méthode de contrôle par mode glissant (SMC pour «Sliding Mode Control »en anglais) est proposée pour assurer une réponse dynamique souhaitée, une forte robustesse /insensibilité aux perturbations bornées, des bonnes propriétés de contrôle dans une large gamme de conditions de fonctionnement ainsi qu’un très bon suivi en boucle fermée sans effet de déphasage.The Sliding Mode Control (SMC) method is proposed to ensure a desired dynamic response, high robustness / insensitivity to bounded disturbances, good control properties in a wide range of operating conditions as well as very good closed-loop tracking with no phase shift effect.
En pratique, l’onduleur de tension est commandé par une fonction de commutation à fréquence limitée/fixe. Ainsi, des commutations variables (chattering), si elles se produisent, pourraient entraîner une surchauffe qui peut aller jusqu’à la destruction de l'onduleur.In practice, the voltage inverter is controlled by a limited/fixed frequency switching function. Thus, variable commutations ( chattering ), if they occur, could lead to overheating which can lead to the destruction of the inverter.
Conception d’un contrôleur classique par mode glissant pour un Ond-Classique et L-ClassiqueDesign of a classic controller by sliding mode for an Ond-Classic and L-Classic
Etant donné que le système commandé est de premier ordre, alors une variable de glissement est choisie sous la forme :Since the controlled system is first order, then a slip variable is chosen in the form:
avec
La condition d'existence d’un mode glissant
avec
4- CONTROLE LINEAIRE PAR PLACEMENT DE POLES AMELIORES RSTam DE L’ONDULEUR DE TENSION OND-CR SELON L’INVENTION CONNECTE AU RESEAU VIA LE FILTRE L-Ond-Cr4- LINEAR CONTROL BY PLACEMENT OF RSTam IMPROVED POLES OF THE OND-CR VOLTAGE INVERTER ACCORDING TO THE INVENTION CONNECTED TO THE GRID VIA THE L-Ond-Cr FILTER
La stratégie est basée sur l'estimation des perturbations de courant au moyen d'un algorithme d'identification. Le changement concerne la structure de l’onduleur, le filtre de sortie et par conséquent la boucle de contrôle. En effet, l’onduleur de tension est à composants de commutation rapide (SiC, GaN, etc.) Ond-Cr, commandé par la commande MLI, génère les courants injectés au réseau Iinjà travers le filtre L-Ond-Cr, qui doivent poursuivre les courants de références identifiés Iref(
La tension du réseau Vs, au point de raccordement C, représente ici une perturbation externe, dont les effets qui peuvent aussi être compensés en ajoutant la même tension de réseau au signal de commande (u). Cela empêchera le courant fondamental réactif de passer du réseau au filtre actif via l’inductance du filtre L-Ond-Cr. The network voltage Vs, at the connection point C, here represents an external disturbance, the effects of which can also be compensated by adding the same network voltage to the control signal (u). This will prevent the reactive fundamental current flowing from the network to the active filter via the inductance of the L-Ond-Cr filter .
Le contrôleur utilisé selon un aspect de l’invention est la méthode améliorée RSTamqui propose un placement des pôles et des zéros afin de minimiser l’erreur en amplitude mais spécialement en phase entre le signal/courant identifié et celui injecté.The controller used according to one aspect of the invention is the improved RST am method which proposes a placement of the poles and zeros in order to minimize the error in amplitude but especially in phase between the signal/current identified and that injected.
Le contrôleur amélioré RSTampréserve les mêmes polynômes R et S de premier ordre du RST conventionnel, calculé pour le système L-Ond-Cr dont le modèle est présenté par l’équation (Maths. 2), tout en plaçant des zéros dans la boucle de contrôle afin de minimiser, surtout, l’erreur en phase.The improved RST am controller preserves the same first-order R and S polynomials of the conventional RST, calculated for the L-Ond-Cr system whose model is presented by the equation (Maths. 2), while placing zeros in the control loop in order to minimize, above all, the error in phase.
Le transformé de Laplace de l’erreur
avec
En se basant sur l’équation (Maths. 5), nous obtenons la formule suivante :Based on the equation (Math. 5), we obtain the following formula:
Pour réduire l'erreur
En utilisant l'équation (Maths. 7), et en remplaçant s = jω, avec ω la fréquence angulaire, le numérateur de l'éq. (Maths. 6) devient :Using equation (Maths. 7), and replacing s = jω, with ω the angular frequency, the numerator of eq. (Math. 6) becomes:
Afin de faire tendre le côté droit de l'eq. (Maths. 8) à zéro, les parties réelle Re(ω) et imaginaire Im(ω) doivent tendre vers zéro. Cela donne deux équations pour chaque fréquence.In order to make the right side of eq. (Maths. 8) at zero, the real Re(ω) and imaginary parts Im(ω) must tend to zero. This gives two equations for each frequency.
Selon un aspect de l’invention, T(s) est un polynôme de premier ordre. En effet, comme l'ordre de R(s) est un, un polynôme T(s) est de premier ordre, qui est l'ordre maximum satisfaisant la causalité de la fonction de transfert T(s)/R(s). Compte tenu des paramètres inconnus (t1, t2) du polynôme T(s), une seule fréquence doit être choisie. Le zéro doit être placé près du pôle le plus lent de la fonction de transfert en boucle fermée.According to one aspect of the invention, T(s) is a first-order polynomial. Indeed, as the order of R(s) is one, a polynomial T(s) is of first order, which is the maximum order satisfying the causality of the transfer function T(s)/R(s). Given the unknown parameters (t 1 , t 2 ) of the polynomial T(s), a single frequency must be chosen. Zero should be placed near the slowest pole of the closed loop transfer function.
Afin de montrer la précision en poursuite du contrôleur RSTam par rapport au contrôleur classique RST, les diagrammes de Bode, en gain et en phase, des fonctions de transfert des boucles de contrôle (
De cette figure, nous constatons que les deux contrôleurs assurent la poursuite en amplitude entre le courant injecté Iinj et celui identifié Iref. D’ailleurs, si la poursuite en phase est bien assurée par le RSTam, le RST provoque un déphasage entre l’entrée et la sortie de la boucle de contrôle, dégradant significativement la qualité de filtrage et empêcher, par conséquent, l’applicabilité du filtre actif.From this figure, we see that the two controllers provide amplitude tracking between the injected current Iinj and the identified one Iref. Moreover, if the phase tracking is well ensured by the RSTam, the RST causes a phase shift between the input and the output of the control loop, significantly degrading the quality of filtering and therefore preventing the applicability of the active filter.
5. CONTROLE NON LINEAIRE (PAR MODE GLISSANT CONTINU de premier ordre) DE L’ONDULEUR DE TENSION OND-CR SELON L’INVENTION CONNECTE AU RESEAU VIA LE FILTRE L-Ond-Cr5. NON-LINEAR CONTROL (BY CONTINUOUS SLIDING MODE of first order) OF THE VOLTAGE INVERTER OND-CR ACCORDING TO THE INVENTION CONNECTED TO THE GRID VIA THE L-Ond-Cr FILTER
Etant donné que le contrôleur classique par mode glissant cause une commande discontinue qui se traduit par un effet dechatteringqui peut être destructif de l’onduleur de tension.Since the classic sliding mode controller causes a discontinuous control which results in a chattering effect which can be destructive of the voltage inverter.
Par conséquent, nous employons un SMC classique de premier ordre (avec fonctionsign) à commande continue. En effet, afin d'éviter une commande discontinue du SMC classique, nous optons pour un contrôleur par mode glissant associé à une fonctionsignapproximée en fonctionsigmoïde.Therefore, we employ a classical first-order SMC (with sign function) with continuous control. Indeed, in order to avoid a discontinuous control of the classic SMC, we opt for a sliding mode controller associated with a sign function approximated as a sigmoid function.
Enfin, la commande du filtre actif générée par les SMCs continus sera modulée par une MLI, afin de permettre au filtre actif de fonctionner à une fréquence de commutation fixe, élevée adaptée, d’un côté, à un fonctionnement nominal des composants de commutation rapide (SiC, GaN, etc. : ici 100 kHz) d’électronique de puissance de l’onduleur Ond-Cr et facile, de l’autre, à filtrer par le L-Ond-Cr, ce qui facilite, entre autres, le blocage des composantes à hautes fréquences par le filtre L-Ond-Cr.Finally, the control of the active filter generated by the DC SMCs will be modulated by a PWM, in order to allow the active filter to operate at a fixed, high switching frequency adapted, on the one hand, to a nominal operation of the fast switching components. (SiC, GaN, etc.: here 100 kHz) power electronics of the Ond-Cr inverter and easy, on the other hand, to be filtered by the L-Ond-Cr, which facilitates, among other things, the blocking of high frequency components by the L-Ond-Cr filter.
Dans ce contexte, il est important de signaler que la fonction Signe (Signen anglais) dans (Maths. 4) a été approximée en fonction Sigmoïde
6. SYSTEME DE PLL AVANCEE INTEGRE DANS L’UNITE DE CALCUL DE COURANTS DE REFERENCE 25 SELON L’INVENTION6. ADVANCED PLL SYSTEM INTEGRATED IN THE REFERENCE CURRENT CALCULATION UNIT 25 ACCORDING TO THE INVENTION
Sur la base de la tension triphasée au point de raccordement C (
Le verrouillage de phase se produit lorsque
Il est à noter que la poursuite de la phase, y compris celle de de l’amplitude, est assurée par un contrôleur de type placement de pôles RST adapté au cas d’un filtre actif. En effet, ce contrôleur, qui doit être conçu pour offrir des performances robustes dans une large bande de variation en fréquence et en tension (50, 60 Hz 10%), (230/400 15%) respectivement, doit filtrer les perturbations externes (causées par le déséquilibre et les composantes harmoniques de tension du réseau Vs) dans la boucle fermée.It should be noted that the tracking of the phase, including that of the amplitude, is ensured by a controller of the RST pole placement type adapted to the case of an active filter. Indeed, this controller, which must be designed to offer robust performances in a wide band of variation in frequency and voltage (50, 60 Hz 10%), (230/400 15%) respectively, must filter the disturbances external (caused by the unbalance and the harmonic components of the network voltage V s ) in the closed loop.
Afin d'atteindre ces performances, les polynômes R(s) et S(s) sont respectivement de cinquième et sixième ordre, tandis que T(s) est un simple gain tel que
Cette approche spéciale de conception du contrôleur RST adapté va entraîner un changement de la méthodologie du calcul du polynôme de stabilité arbitraire D(s)=A(s)S(s)+B(s)R(s), avec le système d’origine à contrôler, comme montré dans la
En effet, dans le polynôme S(s), il faut prévoir l’élimination des perturbations constantes, donc s(s)=0. De plus et afin d’éliminer les perturbations liées au déséquilibre ainsi que les harmoniques de tension, nous incluons dans le polynôme R(s) des zéros doubles aux fréquences 100 Hz et 300 Hz, correspondant respectivement aux composantes dues au déséquilibre ainsi qu’au premier harmonique dominant (l’harmonique du rang cinq). Pour éliminer les effets des harmoniques de rangs supérieurs, une pente de -20dB/décade du régulateur adapté RST a été réalisée par le choix d’un contrôleur RST strictement propre.Indeed, in the polynomial S(s), it is necessary to provide for the elimination of constant disturbances, so s(s)=0. In addition, and in order to eliminate the disturbances linked to the imbalance as well as the voltage harmonics, we include in the polynomial R(s) double zeros at the frequencies 100 Hz and 300 Hz, corresponding respectively to the components due to the imbalance as well as to the first dominant harmonic (the harmonic of rank five). To eliminate the effects of higher order harmonics, a slope of -20dB/decade of the adapted RST regulator has been achieved by choosing a strictly clean RST controller.
Donc, le polynôme R(s) étant de degré 5 et afin d’assurer un contrôleur Rs(s)/S(s) strictement propre (degré (R) < degré (S)), le polynôme S(s) est de degré 6.Therefore, the polynomial R(s) being of degree 5 and in order to ensure a strictly proper controller Rs(s)/S(s) (degree (R) < degree (S)), the polynomial S(s) is degree 6.
7. RESULTATS DE SIMULATION DE L’ONDULEUR COMMANDE SELON L’INVENTION7. SIMULATION RESULTS OF THE CONTROLLED INVERTER ACCORDING TO THE INVENTION
Résultats de simulation avec Matlab-SimulinkSimulation results with Matlab-Simulink
Contrôleurs SMC continu de premier ordre et de RSTampour un Ond-Cr & L-Ond-CrFirst-order continuous SMC and RST am controllers for an Ond-Cr & L-Ond-Cr
Les simulations sont réalisées, dans un premier temps, via un simple schéma de Simulink. Dans ce schéma, les courants harmoniques de références identifiés
La Figure 16c trace les courants monophasés
Il est à noter que la commande par RSTamainsi que tout contrôleur linéaire assurent une commande continue à fréquence adaptée aux composants d’électronique de puissance, imposée ici par la MLI.It should be noted that the control by RST am as well as any linear controller provide continuous control at a frequency adapted to the power electronic components, imposed here by the PWM.
Contrôleurs SMCs de premier ordre et d’ordre supérieur pour un Ond-Classique & LCL (Etat de l’art)First-order and higher-order SMCs controllers for an Ond-Classic & LCL (State of the art)
Les simulations sont effectuées, pour le cas d’un Ond-Classique associé à un filtre LCL, en employant cette fois-ci, d’abord, dans le cas de la
Les Figures 16a et 16b tracent les courants monophasés
Résultats des simulations du Filtre actif parallèle installé dans un réseau industriel typeParallel Active Filter Simulation Results Installed in a Typical Industrial Network
Deux ensembles de simulation seront présentés, l’un correspond à un filtre actif parallèle FAP pure tandis que le second représente le cas d’un FAP avec l’option de génération photovoltaïque GPV. La charge industrielle non linéaire est un redresseur complet à six diodes de 42 kVA avec une charge R//C côté CC et une inductance côté alternatif égale à 2 mH.Two simulation sets will be presented, one corresponds to a pure DPF parallel active filter while the second represents the case of a DPF with the GPV photovoltaic generation option. The industrial non-linear load is a complete six-diode 42 kVA rectifier with a DC-side R//C load and an AC-side inductance of 2 mH.
Enfin, les paramètres du réseau électrique donné 1 sont quantifiés sur le Tableau IIFinally, the parameters of the given electrical network 1 are quantified in Table II
Tableau II. Fiche technique des composants électriques constituant le réseau traité
Le filtre actif est basé, entre autres, sur l’onduleur à composants de commutation rapide en employant des composants MOSFET SiC à fréquence de commutation 100 kHz (C3M0021120D), sans diodes en antiparallèle, associé au filtre L-Ond-Cr=200 μH, avec les algorithmes de contrôle, SMC à commande continue associé à une fonction Signe approximée en fonction sigmoïde et RSTam.The active filter is based, among other things, on the fast switching component inverter using SiC MOSFET components at 100 kHz switching frequency (C3M0021120D), without antiparallel diodes, associated with the L-Ond-Cr=200 μH filter , with the control algorithms, SMC with continuous control associated with a Sign function approximated as a sigmoid function and RST am .
La fiche technique des composants constituant le filtre actif, est présentée via le Tableau III.The technical sheet of the components constituting the active filter is presented via Table III.
Tableau III. fiche technique du filtre actif parallèle
Il est à noter que les bibliothèques du logiciel Matlab-Simulink-Simscape Electrical n’offrent pas les modèles des composants d’électronique de puissance à commutation rapide. La simulation hybride Matlab-Simulink-Simscape Electrical & PLECS a été utilisée ; le logiciel PLECS qui peut être installé sous MATLAB, offre la possibilité d’utiliser des modèles de composants d’électronique de puissance à commutation rapide.It should be noted that the Matlab-Simulink-Simscape Electrical software libraries do not offer models of fast-switching power electronics components. The Matlab-Simulink-Simscape Electrical & PLECS hybrid simulation was used; the PLECS software, which can be installed under MATLAB, offers the possibility of using models of fast-switching power electronic components.
Etude de l’efficacité du filtre de sortie L-Ond-Cr, comparaison avec les filtres L-Classique et LCLStudy of the efficiency of the L-Ond-Cr output filter, comparison with the L-Classic and LCL filters
La figure 17(a, b) montre l’analyse spectrale du courant injectés Iinj dans les cas des structures à L Ond-Cr & Ond-Cr et L-Classique & Ond-Classique, en focalisant sur la bande de fréquences liée à la fréquence de commutation de chaque cas.Figure 17(a, b) shows the spectral analysis of the injected current Iinj in the cases of L Ond-Cr & Ond-Cr and L-Classic & Ond-Classic structures, focusing on the frequency band related to the switching frequency of each case.
De ces figures, nous constatons que l’efficacité de l’inductance L-Ond-Cr associée à l’onduleur à commutation rapide Ond-Cr, à bloquer les composantes dues à la fréquence de commutation dépasse celle L-Classique associée à l’onduleur classique en silicium Ond-Classique, sachant que L-Classique=2 mH est dix fois supérieure à L Ond-Cr=200 μH. De plus, la qualité du filtrage harmonique est meilleure dans le cas de L-Ond-Cr comparée au cas de L-Classique, pour le même contrôleur (THD égale respectivement à 1.3% 2.2%). Cette supériorité en qualité de filtrage est due à la dynamique plus rapide du système de compensation assurée par l’onduleur Ond-Cr par rapport à l’onduleur Ond-Classique (à fréquence de commutation respective de 100 kHz et de 16 kHz).From these figures, we find that the efficiency of the L-Ond-Cr inductance associated with the Ond-Cr fast switching inverter, in blocking the components due to the switching frequency exceeds that L-Classic associated with the conventional inverter in Ond-Classic silicon, knowing that L-Classic=2 mH is ten times greater than L Ond-Cr=200 μH. Moreover, the quality of the harmonic filtering is better in the case of L-Ond-Cr compared to the case of L-Classic, for the same controller (THD equal to 1.3% and 2.2% respectively). This superior quality of filtering is due to the faster dynamics of the compensation system provided by the Ond-Cr inverter compared to the Ond-Classic inverter (at respective switching frequencies of 100 kHz and 16 kHz).
De plus, en comparant les diagrammes de Bode des gains des deux filtres de sortie LCL et L Ond-Cr, comme décrit dans les Figures 12 a&b : respectivement pour l’état de l’art et le nouveau dépôt, nous constatons que le rejet des composantes dues à la fréquence de commutation (100 kHz) assuré par L-Ond-Cr (-42 dB) est assez élevé/suffisant et s’approchant du rejet assuré par le LCL pour une fréquence de commutation industrielle de 10 kHz (-50 dB), sachant qu’une fréquence de commutation de 16 kHz pour les onduleurs classique en silicium Ond-Classique atteint la limite de fonctionnement des composants d’électronique de puissance. En effet, à cette fréquence, acceptée par les industriels, une limitation de tension du côté continu est fixée à 800 V pour les onduleurs classiques alors que les onduleurs à commutation rapide acceptent une tension continue supérieure à 1000 V, ce qui favorise la dynamique globale du système. De plus, les pertes par commutation à 16 kHz, bien qu’elles soient admissibles par les industriels, réduisent le redemande de l’onduleur Ond-Classique, alors que l’onduleur Ond-Cr est conçu pour des pertes minimales pour des commutations rapides.Moreover, by comparing the Bode diagrams of the gains of the two output filters LCL and L Ond-Cr, as described in Figures 12 a&b: respectively for the state of the art and the new deposit, we find that the rejection of the components due to the switching frequency (100 kHz) provided by L-Ond-Cr (-42 dB) is quite high/sufficient and approaching the rejection provided by the LCL for an industrial switching frequency of 10 kHz (- 50 dB), knowing that a switching frequency of 16 kHz for conventional Ond-Classic silicon inverters reaches the operating limit of power electronic components. Indeed, at this frequency, accepted by manufacturers, a voltage limitation on the DC side is set at 800 V for conventional inverters, while fast-switching inverters accept a DC voltage greater than 1000 V, which favors the overall dynamic. of the system. In addition, the switching losses at 16 kHz, although they are admissible by the industrialists, reduce the re-demand of the Ond-Classic inverter, while the Ond-Cr inverter is designed for minimum losses for fast switching .
Il est à noter que la valeur de L-Ond-Cr est choisie égale à la somme des inductances du LCL : L Ond-Cr=Lf1+Lf2=200 μH.It should be noted that the value of L-Ond-Cr is chosen equal to the sum of the inductances of the LCL: L Ond-Cr=L f1 +L f2 =200 μH.
Finalement et à titre d’exemple, la
Contrôleur SMC continu à une fonction sigmoïdeSMC controller continuous to a sigmoid function
Dans cette partie, l’emploi du filtre actif associé à l’onduleur Ond-Cr (à MOSFET SiC : C3M0021120D à fréquence de commutation 100 kHz) et au filtre L-Ond-Cr = 200 μH avec l’algorithme de contrôle SMC à commande continue associé à une fonction Signe approximée en fonction sigmoïde, est validé.In this part, the use of the active filter associated with the Ond-Cr inverter (with SiC MOSFET: C3M0021120D at 100 kHz switching frequency) and the L-Ond-Cr = 200 μH filter with the SMC control algorithm at continuous command associated with a Sign function approximated as a sigmoid function, is validated.
La
La Figure 19a présente la simulation de la phase 1 (avant et après filtrage) du courant du côté réseau de Is, des courants identifié Iref et injecté Iinj ainsi que le THD du courant (
Dans ce cas de simulation, le filtre actif est amorcé après 6 périodes du secteur (jusqu’à 0.12 s).In this case of simulation, the active filter is initiated after 6 periods of the sector (up to 0.12 s).
On peut déduire de la Figure 19a que la distorsion harmonique
Il est à noter que le THD du courant avant l’activation du filtre actif était 24.29%.It should be noted that the THD of the current before the activation of the active filter was 24.29%.
Contrôleur par placement des pôles et des zéros RSTController by placement of poles and zeros RST amam
Dans cette partie, la structure précédente (filtre actif à onduleur de composants à commutation rapide (MOSFET SiC : C3M0021120D, à fréquence de commutation 100 kHz) associé au filtre L-Ond-Cr=200 μH), est validée avec l’algorithme de contrôle du placement des pôles amélioré RSTam.In this part, the previous structure (active filter with inverter of fast switching components (MOSFET SiC: C3M0021120D, at switching frequency 100 kHz) associated with the filter L-Ond-Cr=200 μH), is validated with the algorithm of RST am improved pole placement control.
La Figure 20a présente la simulation de la phase 1 (avec et sans filtrage) du courant du côté réseau de Is, des courants identifié Iref et injecté Iinj ainsi que le THD du courant (
Dans ce cas de simulation, le filtre actif est désactivé après 6 périodes du secteur (à 0.12 s).In this case of simulation, the active filter is deactivated after 6 periods of the sector (at 0.12 s).
On peut déduire de la figure 20a que la distorsion harmonique
Il est à noter que le THD du courant avant l’activation du filtre actif était 24.29%.It should be noted that the THD of the current before the activation of the active filter was 24.29%.
Finalement, à titre d’exemple et afin de comprendre l’importance de cette association onduleur à commutation rapide Ond-Cr et filtre de sortie L Ond-Cr, la
Calcul et intégration du point de puissance maximale dans le schéma contrôle-commande du filtre actifCalculation and integration of the maximum power point in the control-command diagram of the active filter
L’objectif ici est de poursuivre le point de puissance maximale d’un générateur photovoltaïque (PV), afin d’augmenter le rendement de ce système de génération. La
Selon un aspect de l’invention, l’algorithme employé pour l’extraction du point de puissance maximale est l’algorithme P&O (en anglais «Perturb and Observe »), qui se base sur la perturbation et l’observation de la tension du générateur PV, jusqu’à l’obtention de la tension maximale qui correspondra au point MPPT.According to one aspect of the invention, the algorithm used for the extraction of the maximum power point is the P&O algorithm (in English “ Perturb and Observe” ), which is based on the disturbance and the observation of the voltage of the PV generator, until reaching the maximum voltage which will correspond to the MPPT point.
Cet algorithme P&O est adapté à la configuration de l’invention qui assure une connexion sans hacheur de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 à l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 ; la sortie de l’algorithme P&O est, dans ce cas, la tension de la puissance maximale Vmpp et non pas le signal de commande du hacheur, habituellement associé à l’algorithme de détection de la puissance maximale, P&O ou autres.This P&O algorithm is adapted to the configuration of the invention which ensures a chopper-free connection of the renewable energy generation power unit 100 to the capacitive energy storage element 3; the output of the P&O algorithm is, in this case, the maximum power voltage Vmpp and not the chopper control signal, usually associated with the maximum power detection algorithm, P&O or others.
Boucle de régulation de la tension continue (poursuite de la puissance maximale)DC voltage regulation loop (continuation of maximum power)
Nous allons profiter de la boucle de régulation de la tension du condensateur, du côté continu de l’onduleur, pour assurer la poursuite de la puissance maximale du générateur PV. En effet, dans le cas d’un filtre actif parallèle qui n’est pas connecté à un générateur PV, le condensateur de stockage d’énergie se régule (se charge avec un maintien d’une tension constante) via le réseau électrique donné 1, à travers l’onduleur, pour compenser les pertes par effet Joule des composants d’électronique de puissance de l’onduleur et du filtre de sortie L-Ond-Cr. La tension du condensateur Vdcdoit poursuivre une tension de référence Vdc-refdont l’amplitude est choisie pour renforcer la dynamique du système, tout en respectant le dimensionnement des composants électriques du filtre actif parallèle.We will take advantage of the capacitor voltage regulation loop, on the DC side of the inverter, to ensure the continuation of the maximum power of the PV generator. Indeed, in the case of a parallel active filter which is not connected to a PV generator, the energy storage capacitor regulates itself (charges with a maintenance of a constant voltage) via the given electrical network 1 , through the inverter, to compensate for losses by Joule effect of the power electronics components of the inverter and of the L-Ond-Cr output filter. The voltage of the capacitor V dc must follow a reference voltage V dc-ref whose amplitude is chosen to reinforce the dynamics of the system, while respecting the dimensioning of the electrical components of the parallel active filter.
Selon un aspect de l’invention, la même boucle de régulation de la tension du condensateur est employée pour assurer la poursuite du point de puissance maximale en se basant sur la poursuite de la puissance PMPPet non sur la poursuite du courant IMPP. En effet, contrairement aux méthodes de régulation du condensateur de l’onduleur, qui adoptent la poursuite du courant IMPPdans le cas de la présence d’un système de génération d’énergie renouvelable, cette méthode va extraire directement la puissance maximale du générateur PV.According to one aspect of the invention, the same capacitor voltage regulation loop is used to ensure the tracking of the maximum power point based on the tracking of the power P MPP and not on the tracking of the current I MPP . Indeed, unlike the methods of regulating the capacitor of the inverter, which adopt the continuation of the current I MPP in the case of the presence of a renewable energy generation system, this method will directly extract the maximum power from the generator. PV.
Modélisation de la boucle de régulation de la tension du condensateurModeling the Capacitor Voltage Regulation Loop
La relation entre la puissance active produite par le générateur PV et la tension aux bornes du condensateur peut être écrite sous la forme :The relationship between the active power produced by the PV generator and the voltage across the capacitor can be written as:
La relation (Maths 30) étant non linéaire, et pour des petites variations de la tension Vdcautour de sa référence Vdc-ref, elle peut être linéarisée via la relation suivante :The relation (Maths 30) being nonlinear, and for small variations of the voltage Vcdaround its reference Vdc-ref, it can be linearized via the following relation :
Il est à noter que pour :
A partir des relations (Maths 31) et (Maths 32) et en employant un régulateur linéaire (Proportionnel - Intégral) ou autre, la boucle de régulation de la tension continue Vdcet par conséquent la puissance
Intégration de la boucle de poursuite de la puissance maximale au sein d’un filtre actifIntegration of the maximum power tracking loop within an active filter
L’avantage de la poursuite de PMPP(par rapport à IMPP) est de pouvoir intégrer (avec le moins d’opérations de calculs possibles) la boucle de poursuite de PMPPdans l’algorithme d’identification des courants perturbateurs de la partie contrôle-commande du filtre actif parallèle. Dans ce cas, la tension de référence Vdc-refde l’algorithme d’identification/régulation de la tension du condensateur du filtre actif, est remplacée par la tension de la puissance maximale VMPP(Vdc-ref= VMPP) issue de l’algorithme (P & O) adapté comme le montre la Figure 24. De cette figure 24 (a & b), la sortie du contrôleur PI étant la puissance maximale PMPPdu générateur PV, ce signal est rajouté à la puissance perturbatrice active
En effet, les algorithmes qui adoptent la poursuite du courant IMPP, à la place de PMPP, impliquerait la multiplication de IMPPpar trois fonctionssinus(déphasées d’un tiers de période) d’amplitude unitaire et d’angle/phase issu de la PLL (angle de la composante directe de tension du réseau électrique donné 1 Vs). Cela demande plus de calculs et plus de précisions de la part de la PLL.Indeed, the algorithms which adopt the pursuit of the current I MPP , instead of P MPP , would involve the multiplication of I MPP by three sine functions (shifted by a third of a period) of unit amplitude and angle/phase from the PLL (angle of the direct voltage component of the given electrical network 1 V s ). This requires more calculations and more precision from the PLL.
Selon un des aspects de l’invention, une PLL avancée extrait, en plus de l’angle fourni par une PLL conventionnelle, l’amplitude de la composante directe de la tension au point de raccordement C du réseau électrique donné 1.According to one of the aspects of the invention, an advanced PLL extracts, in addition to the angle provided by a conventional PLL, the amplitude of the direct component of the voltage at the connection point C of the given electrical network 1.
Cette la PLL avancée 26, intégrée dans l’unité 25 comme le montre la
- de fonctionner dans un milieu/réseau déjà perturbé en harmoniques et en déséquilibre de tension, avec deux fréquences centrales (50 et 60 Hz 10%) ainsi qu’avec une variation en amplitude de tension fondamentale de 15%, pour couvrir le fonctionnement du réseau électrique donné 1 et des groupes électrogènes ;to operate in an environment/network already disturbed by harmonics and voltage unbalance, with two central frequencies (50 and 60 Hz 10%) as well as with a variation in fundamental voltage amplitude of 15%, to cover operation the given electrical network 1 and the generators;
- de fonctionner dans un réseau électrique embarqué avec une fréquence fondamentale de 400 Hz, avantageusement une fréquence fondamentale variable entre 360 Hz et 800 Hz pour une tension comprise entre 115 et 200 V ;to operate in an on-board electrical network with a fundamental frequency of 400 Hz, advantageously a variable fundamental frequency between 360 Hz and 800 Hz for a voltage between 115 and 200 V;
- d'assurer une égalité entre le courant absorbé par l’élément de stockage d’énergie capacitif 3 et le courant de la puissance maximale produit par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 ; grâce à l’extraction de l’amplitude de la composante directe ou positive de la tension du point de raccordement du réseau électrique donné 1 ;to ensure equality between the current absorbed by the capacitive energy storage element 3 and the maximum power current produced by the renewable energy generation power unit 100; thanks to the extraction of the amplitude of the direct or positive component of the voltage of the connection point of the given electrical network 1;
- d’assurer un comportement efficace de la méthode d’identification des courants perturbateurs pour une tension du réseau électrique donné 1 déjà fortement déformée en harmoniques et déséquilibrée ;to ensure effective behavior of the method for identifying disturbance currents for a given electrical network voltage 1 already highly distorted in harmonics and unbalanced;
- d’assurer une injection du courant de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable 100 en phase avec la composante directe de la tension du point de raccordement C du réseau électrique donné 1, empêchant, par conséquent, une consommation supplémentaire de la puissance réactive via le réseau électrique donné 1.to ensure current injection of the maximum power of the renewable energy generation power unit 100 in phase with the direct component of the voltage of the connection point C of the given electrical network 1, thereby preventing a additional consumption of reactive power through the given power grid 1.
On désigne par réseau électrique embarqué, un système électrique autonome possédant une taille limitée et ayant une consommation énergétique restreinte, tel que sur les avions, les navires, etc.On-board electrical network means an autonomous electrical system having a limited size and having a limited energy consumption, such as on planes, ships, etc.
Résultat de simulations du Filtre actif parallèle avec génération photovoltaïque installé dans le réseau type étudiéResult of simulations of the parallel active filter with photovoltaic generation installed in the typical network studied
Dans cette deuxième partie, nous allons valider l’emploi du filtre actif avec génération d’énergie photovoltaïque FAP/GPV. L’onduleur Ond-Cr ainsi que le filtre de sortie L-Ond-Cr sont les mêmes que ceux utilisés dans le premier ensemble de simulation. En effet, une structure basée sur un onduleur à composants MOSFET SiC à fréquence de commutation 100 kHz (C3M0021120D), sans diodes en antiparallèle, associé au filtre L-Ond-Cr=200 μH, avec les algorithme de contrôle SMC continu à fonction sigmoïde sont présentés.In this second part, we will validate the use of the active filter with photovoltaic energy generation FAP/GPV. The Ond-Cr inverter as well as the L-Ond-Cr output filter are the same as those used in the first simulation set. Indeed, a structure based on an inverter with SiC MOSFET components at 100 kHz switching frequency (C3M0021120D), without antiparallel diodes, associated with the L-Ond-Cr=200 μH filter, with the continuous SMC control algorithm with sigmoid function are presented.
Dans ce deuxième ensemble de simulation, les simulations sont réalisées à l'aide de modèles réels de panneaux photovoltaïques (module Yingli Solar YL235P-29b) : 30 modules en série et 7 chaînes parallèles qui assurent une tension continue (Vdc = Vmp) minimale égale à environ 800 V et maximale égale à 931 V. Ces valeurs de tension garantissent, avec une supériorité pour la valeur maximale, une dynamique rapide du système global sans avoir besoin d’un hacheur (convertisseur DC/DC).In this second simulation set, the simulations are carried out using real models of photovoltaic panels (Yingli Solar YL235P-29b module): 30 modules in series and 7 parallel strings which ensure a continuous voltage (Vdc = Vmp) minimum equal at approximately 800 V and maximum equal to 931 V. These voltage values guarantee, with a superiority for the maximum value, a rapid dynamics of the overall system without the need for a chopper (DC/DC converter).
Le Tableau IV et la
Cette
Contrôleur SMC continu à fonction signe approximée en fonction sigmoïdeApproximate Sign Function to Sigmoid Function Continuous SMC Controller
Dans cette partie de simulation, nous allons montrer uniquement les résultats du contrôleur de mode glissant continu de premier ordre à fonction signe approximé en fonction sigmoïde. En effet, dans les deux cas de contrôle (RSTam et SMC à fonction sigmoïde), la poursuite de tension est assurée par un contrôleur PI indépendant ainsi que le bilan énergétique dépend plutôt de l’algorithme de calcul de la puissance maximale (le P&O adapté), le contrôleur PI indépendant, la méthode d’identification des courant non actifs et le système de PLL avancé.In this simulation part, we will show only the results of the first-order continuous sliding mode controller with approximated sign function in sigmoid function. Indeed, in the two control cases (RSTam and SMC with sigmoid function), voltage tracking is provided by an independent PI controller and the energy balance depends rather on the algorithm for calculating the maximum power (the P&O adapted ), independent PI controller, non-active current identification method and advanced PLL system.
Dans cet ensemble de simulation, le FAP/GPV est testé pour le filtrage harmonique et la génération de puissance photovoltaïque maximale, avec la compensation de la puissance réactive, sous un profil météorologique variable à la fois en éclairement et en température. En effet, deux niveaux d’éclairement (100 et 1000) W/m2 à 25° C ainsi que deux niveaux de température (10°C, 40°C) à 1000 W/m2, sont testés pour que le générateur PV couvre presque toutes les variations météorologiques possible.In this simulation set, the FAP/GPV is tested for harmonic filtering and maximum photovoltaic power generation, with reactive power compensation, under a variable weather profile in both irradiance and temperature. Indeed, two levels of illumination (100 and 1000) W/m2 at 25° C as well as two levels of temperature (10°C, 40°C) at 1000 W/m2, are tested so that the PV generator covers almost all possible weather variations.
La
On peut observer à partir de la
Finalement, le bilan énergétique est présenté via la
La
Enfin, à partir de t> 3s, le dispositif FAP/GPV compense la totalité de la puissance réactive de la charge Qchargeen injectant Qfiltre-PV; le réseau électrique, qui fournissait cette puissance à la charge, passe à l’état Qréseau=0 pour t> 3s.Finally, from t> 3s, the FAP/GPV device compensates all of the reactive power of the load Q load by injecting Q filter-PV ; the electrical network, which supplied this power to the load, switches to the state Q network =0 for t> 3s.
L’invention offre l’avantage de simplifier la méthode de contrôle du courant de l'onduleur.The invention offers the advantage of simplifying the method of controlling the current of the inverter.
Cette invention est l’alternative aux deux solutions existants.This invention is the alternative to the two existing solutions.
- Un filtre actif parallèle à base d’onduleur de deux niveaux de tension, à composants classiques en silicium (Ond-Classique : IGBT ou autres), associé à un filtre de sortie de premier ordre (une inductance : L-classique) et à une commande simple. Le filtre de sortie dans ce cas est lourd, volumineux, coûteux et très difficile à dimensionner. En effet, le filtre de sortie, associé à un onduleur Ond-Classique, doit valider deux critères contradictoires, bloquer les composantes dues à la fréquence de commutation sans ralentir la dynamique globale du système. A titre d’exemple, le filtre actif commercialisé, dimensionné pour injecter un courant de 50 A, a un poids de 75 kg, causé principalement par le filtre de sortie. De plus, cette structure limite la tension du côté continu de l’onduleur (à 800 V pour une fréquence de commutation de 16 kHz et un courant injecté de 30 A) ce qui limite la dynamique du filtre et par conséquent la qualité de filtrage.A parallel active filter based on an inverter with two voltage levels, with conventional silicon components (Ond-Classic: IGBT or others), associated with a first-order output filter (an inductor: L-classic) and a easy order. The output filter in this case is heavy, bulky, expensive and very difficult to dimension. Indeed, the output filter, associated with an Ond-Classic inverter, must validate two contradictory criteria, block the components due to the switching frequency without slowing down the overall dynamics of the system. For example, the active filter on the market, sized to inject a current of 50 A, has a weight of 75 kg, mainly caused by the output filter. In addition, this structure limits the voltage on the DC side of the inverter (to 800 V for a switching frequency of 16 kHz and an injected current of 30 A) which limits the dynamics of the filter and consequently the filtering quality.
- Un filtre actif parallèle à base d’onduleur à deux niveaux de tension, à composants classiques en silicium (Ond-Classique : IGBT ou autres), associé à un filtre de sortie de troisième ordre de type LCL. L’emploi de ce type de filtre implique l’utilisation d’une commande non linéaire très sophistiquée et assez complexe à gérer ainsi d’une unité de calcul assez puissante. De plus, la maîtrise de l’antirésonance entre le filtre LCL et le réseau électrique donné 1, malgré la solution proposée dans le document WO 2020/007884, reste un point dont les industriels sont sceptiques. Il est à noter que cette structure limite, aussi, la tension du côté continu de l’onduleur (à 800 V pour une fréquence de commutation de 16 kHz et un courant injecté de 30 A) ce qui limite la dynamique du filtre et par conséquent la qualité de filtrage.A parallel active filter based on an inverter with two voltage levels, with conventional silicon components (Ond-Classic: IGBT or others), associated with a third-order output filter of the LCL type. The use of this type of filter involves the use of a very sophisticated and quite complex nonlinear command to manage as well as a fairly powerful calculation unit. In addition, the control of antiresonance between the LCL filter and the given electrical network 1, despite the solution proposed in document WO 2020/007884, remains a point of which manufacturers are skeptical. It should be noted that this structure also limits the voltage on the DC side of the inverter (to 800 V for a switching frequency of 16 kHz and an injected current of 30 A) which limits the dynamics of the filter and consequently filtering quality.
L’un des aspects de l’invention est de proposer un filtre de sortie L-Ond-Cr (strictement associé à un onduleur de commutation rapide Ond-Cr) assurant presque la même efficacité de rétention des composantes dues au hachage d’un filtre LCL, sans causer des problèmes d’antirésonance ou de complexité du contrôleur imposés par le LCL. De plus, cette inductance est légère, non encombrante, économique et très facile à dimensionner comparée à celle L-Classique liée à l’utilisation d’un onduleur à composants classiques en silicium (Ond-Classique). Il est à noter que la technologie des composants rapide de puissance permet l’augmentation de la tension du côté continu de l’onduleur, par rapport à la technologie classique en silicium, ce qui profite à l’amélioration de la dynamique/rapidité du système et par conséquent de la qualité de filtrage. En effet, des fréquences de commutation allant jusqu’à 16 kHz (à un courant de 30 A) pour les onduleurs en silicium classique Ond-Classique atteint une limite haute de fonctionnement des composants en silicium. A cette fréquence, acceptée par les industriels, une limitation de tension du côté continu est fixée à 800 V alors que les onduleurs à commutation rapide acceptent une tension continue entre 1000 V et 1200 V, ce qui favorise la dynamique globale du système. De plus, l’augmentation significative de la fréquence de commutation de l’onduleur Ond-Cr (de l’ordre de 100 kHz) favorise, elle aussi, la dynamique du dispositif et par conséquent la qualité de filtrage, comparé au dispositif à Ond-Classique dont la fréquence maximale est de 16 kHz.One of the aspects of the invention is to propose an L-Ond-Cr output filter (strictly associated with an Ond-Cr fast switching inverter) ensuring almost the same retention efficiency of the components due to the chopping of a filter LCL, without causing anti-resonance or controller complexity issues imposed by LCL. In addition, this inductance is light, not bulky, economical and very easy to size compared to that L-Classic linked to the use of an inverter with conventional silicon components (Ond-Classic). It should be noted that the technology of fast power components allows the increase of the voltage on the DC side of the inverter, compared to the conventional technology in silicon, which benefits the improvement of the dynamics / speed of the system. and therefore the quality of filtering. Indeed, switching frequencies of up to 16 kHz (at a current of 30 A) for conventional silicon inverters Ond-Classique reaches a high operating limit for silicon components. At this frequency, accepted by industrialists, a voltage limitation on the DC side is set at 800 V whereas fast switching inverters accept a DC voltage between 1000 V and 1200 V, which favors the overall dynamics of the system. In addition, the significant increase in the switching frequency of the Ond-Cr inverter (of the order of 100 kHz) also favors the dynamics of the device and consequently the filtering quality, compared to the Ond device -Classic whose maximum frequency is 16 kHz.
Enfin, les pertes par commutation à 16 kHz, bien qu’elles soient admissibles, réduisent le redemande de l’onduleur Ond-Classique, alors que l’onduleur Ond-Cr est conçu pour des pertes minimales par commutations rapides.Finally, the switching losses at 16 kHz, although admissible, reduce the re-demand of the Ond-Classic inverter, while the Ond-Cr inverter is designed for minimal losses by fast switching.
Claims (32)
- à son entrée, en aval d’au moins un élément de stockage d’énergie capacitif (3), et
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement (C) entre d’une part un réseau électrique donné (1), et d’autre part des charges (2) électriques non linéaires et linéaires,
- une unité de conversion (8) de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension (9) à commutation rapide à composants en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium (GaN),
- une unité de filtrage (10) de sortie, comportant un filtre (11) de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur (9), et d’autre part en parallèle au point de raccordement (C) entre le réseau électrique donné (1) et les charges (2) électriques non linéaires et linéaires, le filtre (11) de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur (9),
- une unité de contrôle-commande (12) comprenant une unité de calcul (25) de courants de référence, les courants de référence comprenant :
- au moins un courant perturbateur non actif destiné à être injecté au point de raccordement (C) en opposition de phase, du côté réseau électrique donné (1), les perturbations du signal générées par les charges non linéaires et linéaires (2),
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) ;
la commande de commutation de l’onduleur (9) ordonne à l’unité de filtrage (10) de sortie de laisser passer au point de raccordement (C), une partie ou la totalité des courants perturbateurs non actifs injectés en opposition de phase comprenant des courants harmoniques, ainsi que des courants réactifs et déséquilibrés à la fréquence fondamentale, dans les charges (2) électriques non linéaires et linéaires,
pour satisfaire la demande de consommation d’énergie non active des charges (2) électriques non linéaires et linéaires, tout en dépolluant le réseau électrique donné (1) de ces courants perturbateurs non actifs.Current compensation device (7) of the parallel active filter type, capable of being connected:
- at its input, downstream of at least one capacitive energy storage element (3), and
- in parallel, at its output, upstream to a connection point (C) between, on the one hand, a given electrical network (1), and, on the other hand, non-linear and linear electrical loads (2),
- a power conversion unit (8), comprising at least one fast-switching voltage structure power inverter (9) with silicon carbide (SiC) or gallium nitride (GaN) components,
- an output filtering unit (10), comprising an output filter (11) for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter (9), and on the other hand in parallel at the connection point (C) between the given electrical network (1) and the non-linear and linear electrical loads (2), the output filter (11) being sized to block the harmonic components due to the switching of the inverter ( 9),
- a control-command unit (12) comprising a unit for calculating reference currents (25), the reference currents comprising:
- at least one non-active disturbing current intended to be injected at the connection point (C) in phase opposition, on the given electrical network side (1), the signal disturbances generated by the non-linear and linear loads (2),
- at least one active current for recharging the capacitive energy storage element (3);
the switching control of the inverter (9) orders the output filtering unit (10) to let pass at the connection point (C), part or all of the non-active disturbing currents injected in phase opposition comprising harmonic currents, as well as reactive and unbalanced currents at the fundamental frequency, in nonlinear and linear electrical loads (2),
to satisfy the non-active energy consumption demand of the non-linear and linear electrical loads (2), while depolluting the given electrical network (1) from these non-active disturbance currents.
l’unité de conversion (8) générant un courant alternatif, avec une bande de fréquence allant de 50 à 2500 Hz, couvrant en plus le courant actif maximal généré par l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100),
l’unité de filtrage (10) laisse passer le courant actif correspondant au point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100), pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges électriques (2) non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3).Compensation device (7) according to one of Claims 1 to 9, in which the capacitive energy storage element (3) is connected upstream to a power unit with renewable energy generation (100),
the conversion unit (8) generating an alternating current, with a frequency band ranging from 50 to 2500 Hz, additionally covering the maximum active current generated by the renewable energy generation power unit (100),
the filter unit (10) passes the active current corresponding to the maximum power point available within the renewable energy generation power unit (100), to satisfy the active energy consumption demand of the loads electrical (2) non-linear and linear, while ensuring the recharging of the capacitive energy storage element (3).
- non linéaire par mode glissant continu de premier ordre ou d’ordre supérieur, ou
- linéaire et tient compte du déphasage entre le courant de référence et le courant injecté.
- first-order or higher-order continuous sliding mode nonlinear, or
- linear and takes into account the phase difference between the reference current and the injected current.
- un hacheur, configuré pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) de l’onduleur (9), indépendamment du niveau de tension de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) pour assurer un filtrage harmonique inchangé,
- un hacheur, pour assurer la gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie,
- un double hacheur, pour le cas d’un réseau électrique îlot.Compensation device (7) according to one of Claims 10 to 14, in which the control-command unit (12) controls:
- a chopper, configured to maintain a constant predefined DC voltage across the terminals of the capacitive energy storage element (3) of the inverter (9), independently of the voltage level of the power generation unit renewable energy (100) to ensure unchanged harmonic filtering,
- a chopper, to manage the charge/discharge of a battery bank or other energy storage systems,
- a double chopper, for the case of an island electrical network.
- un contrôleur à mode glissant continu de 1erordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ; ou
- un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam.Compensation device (7) according to one of Claims 1 to 15, in which the control-command unit (12) comprises one of the following two controllers:
- a 1 st order continuous sliding mode controller with an approximated sign function in Sigmoid function; Or
- an improved linear controller of the RST am type.
le dispositif de compensation (7) comportant une boucle de régulation de la tension continue aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) qui fournit à la sortie du régulateur (62) la puissance maximale, la tension aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) étant égale à la tension de la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100).Compensation device (7) according to one of Claims 10 to 17, in which the control-command unit (12) comprises a PI-type regulator (62), with an output which represents the maximum power of the unit renewable energy generating power unit (100) for regulating the DC voltage of the capacitive energy storage element (3) while providing tracking of the maximum active power point of the renewable energy generating power unit renewable energy (100),
the compensation device (7) comprising a loop for regulating the DC voltage at the terminals of the capacitive energy storage element (3) which supplies the output of the regulator (62) with the maximum power, the voltage at the terminals of the capacitive energy storage element (3) being equal to the voltage of the maximum power of the renewable energy generation power unit (100).
- à son entrée, en aval d’au moins une unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) couplée à un élément de stockage d’énergie capacitif (3), et
- en parallèle, à sa sortie, en amont à un point de raccordement (C) entre d’une part un réseau électrique donné (1), et d’autre part des charges (2) électriques non linéaires et linéaires,
- une unité de conversion (8) de puissance, comportant au moins un onduleur de puissance à structure tension (9) à commutation rapide à composants en carbure de silicium (SiC) ou en nitrure de gallium GaN,
- une unité de filtrage (10) de sortie, comportant un filtre (11) de sortie pour chacune des phases et un neutre, et connecté : d’une part en aval de l’onduleur (9), et d’autre part en parallèle au point de raccordement (C) entre le réseau électrique donné (1) et les charges (2) électriques non linéaires et linéaires, le filtre (11) de sortie étant dimensionné pour bloquer les composantes harmoniques dues à la commutation de l’onduleur (9) ;
- une unité de contrôle-commande (12) comprenant une unité de calcul (25) de courants de référence, les courants de référence comprenant :
- au moins un courant actif correspondant à un point de puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) ;
- au moins un courant actif de recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) ;
- un contrôleur (23) à mode glissant continu de 1er ordre avec une fonction Signe approximée en fonction Sigmoïde ou un contrôleur linéaire amélioré de type RSTam;
- un dispositif de pilotage de commutation (21) qui commande la commutation de l’onduleur (9) et qui assure en boucle fermée le contrôle à la fréquence fondamentale 50 Hz pour l’injection par l’onduleur, du courant perturbateur non actif et du courant actif, en fonction de l’identification des courants de référence par l’unité de calcul (25) ;
- un régulateur (62) de type PI, qui assure à sa sortie la puissance maximale de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) ;
la commande de commutation de l’onduleur (9) ordonne à l’unité de filtrage (10) de sortie de laisser passer au point de raccordement (C) :
- un courant actif correspondant à un point de puissance maximale disponible au sein de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100), pour satisfaire la demande de consommation d’énergie active des charges électriques (2) non linéaires et linéaires, tout en assurant la recharge de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) ;
- avantageusement, tout ou une partie des courants non actifs à la fréquence fondamentale ;
- at its input, downstream of at least one renewable energy generation power unit (100) coupled to a capacitive energy storage element (3), and
- in parallel, at its output, upstream to a connection point (C) between, on the one hand, a given electrical network (1), and, on the other hand, non-linear and linear electrical loads (2),
- a power conversion unit (8), comprising at least one fast-switching voltage structure power inverter (9) with silicon carbide (SiC) or gallium nitride GaN components,
- an output filtering unit (10), comprising an output filter (11) for each of the phases and a neutral, and connected: on the one hand downstream of the inverter (9), and on the other hand in parallel at the connection point (C) between the given electrical network (1) and the non-linear and linear electrical loads (2), the output filter (11) being sized to block the harmonic components due to the switching of the inverter ( 9);
- a control-command unit (12) comprising a unit for calculating reference currents (25), the reference currents comprising:
- at least one active current corresponding to a maximum power point of the renewable energy generation power unit (100);
- at least one active current for recharging the capacitive energy storage element (3);
- a 1st order continuous sliding mode controller (23) with an approximated sign function in Sigmoid function or an improved linear controller of RST typeam;
- a switching control device (21) which controls the switching of the inverter (9) and which provides closed-loop control at the fundamental frequency 50 Hz for the injection by the inverter of the non-active disturbing current and the active current, depending on the identification of the reference currents by the calculation unit (25);
- a PI type regulator (62), which ensures at its output the maximum power of the renewable energy generation power unit (100);
the inverter switching control (9) orders the output filtering unit (10) to pass to the connection point (C):
- an active current corresponding to a maximum power point available within the renewable energy generation power unit (100), to satisfy the active energy consumption demand of the non-linear and linear electrical loads (2), while ensuring the recharging of the capacitive energy storage element (3);
- advantageously, all or part of the currents not active at the fundamental frequency;
- un hacheur, configuré pour maintenir une tension continue constante prédéfinie aux bornes de l’élément de stockage d’énergie capacitif (3) de l’onduleur (9), indépendamment du niveau de tension de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) pour assurer un filtrage harmonique inchangé,
- un hacheur, pour assurer la gestion charge/décharge d’un parc de batteries ou d’autres systèmes de stockage d’énergie,
- un double hacheur, pour le cas d’un réseau électrique îlot.Compensation device (7) according to one of Claims 20 to 24, in which the control-command unit (12) controls:
- a chopper, configured to maintain a constant predefined DC voltage across the terminals of the capacitive energy storage element (3) of the inverter (9), independently of the voltage level of the power generation unit renewable energy (100) to ensure unchanged harmonic filtering,
- a chopper, to manage the charge/discharge of a battery bank or other energy storage systems,
- a double chopper, for the case of an island electrical network.
- choisie parmi la liste suivante : un ou plusieurs panneaux photovoltaïques, éolienne(s), pile(s) à combustible, et
- couplée, directement ou via un dispositif d’électronique de puissance DC/DC à un élément de stockage d’énergie capacitif (3) en cas d’une production continue, ou via un redresseur de puissance alternatif/continu en cas d’une production alternative.
- chosen from the following list: one or more photovoltaic panels, wind turbine(s), fuel cell(s), and
- coupled, directly or via a DC/DC power electronics device to a capacitive energy storage element (3) in the case of continuous production, or via an AC/DC power rectifier in the case of production alternative.
- un premier mode de répartition, dit mode de consommation adaptée, dans lequel l’unité de contrôle-commande (12) pilote l’unité de gestion décentralisée (70) du bâtiment intelligent (27) de manière à adapter la consommation du bâtiment intelligent avec la production de l’unité de puissance à génération d’énergie renouvelable (100), pour que la courbe de charge totale du bâtiment intelligent présente un facteur de simultanéité maximal correspondant au fonctionnement de toutes les charges utiles du bâtiment en même temps, dans la limite de l’énergie renouvelable produite,
- en cas d’insuffisance de production d’énergie renouvelable, un deuxième mode de répartition, dit mode de consommation modulée, dans lequel l’unité de contrôle-commande (12) pilote l’unité de gestion décentralisée (70) du bâtiment intelligent (27) de manière à moduler la consommation des appareils du bâtiment intelligent (27) pour tendre à une courbe de charge totale du bâtiment intelligent sensiblement constante en fonction du temps.
- a first distribution mode, called adapted consumption mode, in which the control-command unit (12) controls the decentralized management unit (70) of the intelligent building (27) so as to adapt the consumption of the intelligent building with producing the renewable energy generating power unit (100) so that the total load curve of the intelligent building has a maximum simultaneity factor corresponding to the operation of all the payloads of the building at the same time, in the limit of renewable energy produced,
- in the event of insufficient renewable energy production, a second distribution mode, called modulated consumption mode, in which the control-command unit (12) controls the decentralized management unit (70) of the intelligent building ( 27) so as to modulate the consumption of the devices of the intelligent building (27) to tend to a substantially constant total load curve of the intelligent building as a function of time.
- un réseau local (28) connecté au réseau électrique donné (1), et
- des unités de production d’énergie conventionnelle (80), et
- un système de gestion semi-décentralisée (29), et
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) connectées au réseau local (28), par un dispositif de compensation (7), chaque dispositif de compensation (7) étant connecté au système de gestion semi-décentralisée (29) auquel il communique des informations concernant la production d’énergie, actuelle et à venir, de chacune des unités de puissance à génération d’énergie renouvelable (100), et
- une pluralité de postes de consommation correspondant aux charges (2) non linéaires et linéaires, chacun des postes de consommation étant connecté au réseau local (28) et équipé d’un dispositif de compensation (7), connecté au système de gestion semi-décentralisée (29) auquel il communique des informations concernant la consommation instantanée et la consommation à venir en fonction du fonctionnement programmé des postes de consommation,
- une pluralité d’unités de puissance à génération d’énergie renouvelable (100) et de charges (2) linéaires et non linéaires des bâtiments intelligents (27) à énergie positive, qui assurent l’autoconsommation et où le surplus éventuel d’énergie est stocké ou échangé avec les autres bâtiments intelligents ou délivré au réseau local (28) via l’unité de contrôle-commande (12) du dispositif de compensation (7), en coordination avec le système de gestion semi-décentralisée (29) en cas d’échange avec le réseau local (28).
- a local network (28) connected to the given electrical network (1), and
- conventional power generation units (80), and
- a semi-decentralized management system (29), and
- a plurality of renewable energy generation power units (100) connected to the local network (28), by a compensation device (7), each compensation device (7) being connected to the semi-decentralized management system ( 29) to which it communicates information concerning the current and future energy production of each of the renewable energy generating power units (100), and
- a plurality of consumption stations corresponding to the non-linear and linear loads (2), each of the consumption stations being connected to the local network (28) and equipped with a compensation device (7), connected to the semi-decentralized management system (29) to which it communicates information concerning the instantaneous consumption and the consumption to come according to the programmed operation of the consumption stations,
- a plurality of renewable energy generation power units (100) and linear and non-linear loads (2) of positive energy smart buildings (27), which ensure self-consumption and where any excess energy is stored or exchanged with the other intelligent buildings or delivered to the local network (28) via the control-command unit (12) of the compensation device (7), in coordination with the semi-decentralized management system (29) in the event exchange with the local network (28).
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Also Published As
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WO2023012194A1 (en) | 2023-02-09 |
EP4381578A1 (en) | 2024-06-12 |
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