Étude et dimensionnement d’un filtre actif parallèle de puissance

Abstract

This Master's thesis is part of the effort to improve electrical power quality in modern power systems, which are increasingly affected by the widespread use of nonlinear loads and power electronic devices. These equipment generate significant disturbances such as harmonics, current and voltage distortions, as well as power factor degradation. The main objective of this work is the study and implementation of a Shunt Active Power Filter (SAPF) to reduce these disturbances and improve the performance of the electrical network. Unlike conventional passive filters, this type of filter provides dynamic compensation of harmonic currents and reactive power. The first chapter is devoted to the study of electrical power quality. It presents the different sources of disturbances, particularly nonlinear loads, and their harmful effects on electrical equipment. Quality indicators such as Total Harmonic Distortion (THD) and power factor are also discussed, together with international standards related to electromagnetic compatibility. Finally, various mitigation solutions are presented, especially active power filters. The second chapter focuses on Direct Power Control (DPC), which is used to control the shunt active power filter. This method is based on the direct control of active and reactive powers without using a current control loop, resulting in a fast dynamic response and a simplified control structure. The operating principle of DPC is presented, including instantaneous power calculation, hysteresis comparators, and the switching table. The third chapter Is dedicated to the modeling and simulation of the system using the MATLAB/Simulink environment. A complete model including the three-phase source, nonlinear load, voltage source inverter (VSI), and active power filter is developed. The obtained results demonstrate the effectiveness of the DPC strategy in reducing Total Harmonic Distortion (THD), improving the power factor, and compensating power quality disturbances. In conclusion, the results confirm that the shunt active power filter controlled by the DPC strategy represents an effective solution for improving electrical power quality in modern power systems. ------------------------------------------------------------------------------- تندرج هذه المذكرة ضمن إطار تحسين جودة الطاقة الكهربائية في الشبكات الحديثة، التي تأثرت بشكل كبير بانتشار الأحمال غير الخطية ومعدات إلكترونيات القدرة، والتي تعتبر السبب الرئيسي في ظهور التوافقيات وتشويه التيار والجهد، إضافة إلى تدهور معامل القدرة. يهدف هذا العمل إلى دراسة وإنجاز مرشح نشط توازي (FAP) بهدف تقليل هذه الاضطرابات وتحسين أداء الشبكة الكهربائية. حيث يتميز هذا المرشح بقدرته على التعويض الديناميكي للتوافقيات والقدرة غير الفعالة، على عكس المرشحات التقليدية. تم تخصيص الفصل الأول لدراسة جودة الطاقة الكهربائية، حيث تم عرض مصادر التوافقيات وخاصة الأحمال غير الخطية، وتأثيراتها السلبية على الشبكات الكهربائية. كما تم التطرق إلى مؤشرات الجودة مثل نسبة التشويه التوافقي الكلي (THD) ومعامل القدرة، بالإضافة إلى المعايير الدولية الخاصة بالتوافق الكهرومغناطيسي، مع عرض مختلف حلول المعالجة وخاصة المرشحات النشطة. أما الفصل الثاني فقد تناول التحكم المباشر في القدرة (DPC)، والذي يُستخدم للتحكم في المرشح النشط. تعتمد هذه التقنية على التحكم المباشر في القدرة الفعالة وغير الفعالة دون الحاجة إلى حلقة تيار، مما يمنحها سرعة استجابة عالية وبنية بسيطة. كما تم شرح مبدأ عملها، بما في ذلك حساب القدرات اللحظية، واستخدام المقارنات بالهسترة، وجدول التبديل. في الفصل الثالث، تم نمذجة النظام ومحاكاته باستخدام برنامج MATLAB/Simulink، حيث تم بناء نموذج متكامل يتضمن المصدر ثلاثي الطور، والحمل غير الخطي، والعاكس، والمرشح النشط. وأظهرت نتائج المحاكاة فعالية التحكم DPC في تقليل نسبة التشويه التوافقي (THD)، وتحسين معامل القدرة، وتعويض الاضطرابات. في الختام، تؤكد النتائج أن المرشح النشط التوازي المعتمد على التحكم DPC يمثل حلاً فعالاً لتحسين جودة الطاقة الكهربائية في الشبكات الحديثة. ------------------------------------------------------------------------------ Ce mémoire de master s’inscrit dans le cadre de l’amélioration de la qualité de l’énergie électrique dans les réseaux modernes, fortement affectés par la présence croissante des charges non linéaires et des dispositifs d’électronique de puissance. Ces équipements sont à l’origine de perturbations importantes telles que les harmoniques, la distorsion des courants et tensions, ainsi que la dégradation du facteur de puissance. L’objectif principal de ce travail est l’étude et la mise en œuvre d’un filtre actif parallèle (FAP) afin de réduire ces perturbations et d’améliorer les performances du réseau électrique. Ce type de filtre permet une compensation dynamique des courants harmoniques et de la puissance réactive, contrairement aux filtres passifs traditionnels. Le premier chapitre est consacré à l’étude de la qualité de l’énergie électrique. Il présente les différentes sources de perturbations, en particulier les charges non linéaires, ainsi que leurs effets néfastes sur les équipements électriques. Les indicateurs de qualité tels que le taux de distorsion harmonique (THD) et le facteur de puissance sont également étudiés, ainsi que les normes internationales relatives à la compatibilité électromagnétique. Enfin, différentes solutions de dépollution sont abordées, notamment les filtres actifs. Le deuxième chapitre porte sur la commande directe de puissance (DPC), utilisée pour contrôler le filtre actif parallèle. Cette méthode repose sur le contrôle direct des puissances active et réactive sans passer par une boucle de courant, ce qui permet une réponse rapide et une structure simplifiée. Le principe de fonctionnement de la DPC est présenté, incluant le calcul des puissances instantanées, les comparateurs à hystérésis et la table de commutation. Le troisième chapitre est consacré à la modélisation et à la simulation du système sous l’environnement MATLAB/Simulink. Un modèle complet comprenant la source triphasée, la charge non linéaire, l’onduleur (VSI) et le filtre actif est développé. Les résultats obtenus montrent l’efficacité de la commande DPC dans la réduction du taux de distorsion harmonique (THD), l’amélioration du facteur de puissance et la compensation des perturbations. En conclusion, les résultats confirment que le filtre actif parallèle commandé par la stratégie DPC constitue une solution efficace pour améliorer la qualité de l’énergie électrique dans les réseaux modernes.