Modeling, Simulation and Real-time Control of Active Filters

Depuis toujours, la production et la distribution de l'énergie électrique à été réalisée en considérant que les ondes de tension et de courant étaient parfaitement sinusoïdales et que leur fréquence était fixe (50 ou 60 Hz). De fait, jusqu'au début des années quatre-vingt ces hypothèses étaient très largement vérifiées. Seuls quelques équipements produisaient des courants déformés non-sinusoïdaux: courants de magnétisation des transformateurs et de moteurs, ballasts de fluorescents et redresseurs ca/cc. Ces charges ne constituaient qu'une très faible partie des charges raccordées aux réseaux et n'avaient généralement aucune conséquence néfaste. Les progrès fantastiques de l'électronique ont complètement modifié la situation. Les téléviseurs couleur, les gradateurs pour l'éclairage, les équipements audio, les fours micro-onde et les ordinateurs personnels nécessitent tous l'emploi de convertisseurs électroniques pour fonctionner. En plus de ces appareils, l'industrie fait appel de plus en plus à des variateurs de vitesse pour les moteurs électriques eux aussi électroniques. Tous ces appareils constituent autant de sources de pollution harmonique. Même si, individuellement, leur puissance est faible, ensemble ils constituent une formidable source de pollution harmonique qui entraîne des conséquences sérieuses sur les réseaux électriques de basse et moyenne tension. En quelques années seulement, les problèmes associés à cette pollution harmonique sur la qualité de l'énergie électrique sont devenus l'un des problèmes les plus importants auxquels les ingénieurs doivent faire face. Le rôle des filtres actifs est de compenser, sans consommé aucune puissance active, les harmoniques sur le système de transport d'énergie et d'améliorer l'efficacité du système électrique. La compensation de la puissance non-actif va considérablement augmenter le facteur de puissance et va réduire le coefficient de distorsion (THD) et aussi réduire les pertes. Cela signifie que le système peut laisser circuler plus de puissance active. Bien sûr, l'effet des harmoniques sur les appareils comme les transformateurs et les machines disparaîtra. Le présent mémoire de maîtrise est consacré à la simulation et la commande en temps réel d'un filtre actif pour compenser et annuler les harmoniques de courant.

Abstract

Historically, production and distribution of electricity were carried out taking into account that the voltage and current were perfectly sinusoidal and their frequency was fixed (50 or 60 Hz). In fact, prior to the early eighties, these assumptions were quite verified. Only few types of equipment generate deformed and non-sinusoidal currents: the magnetization current of transformers and motors, fluorescent ballasts and AC/ DC rectifiers. Actually, these equipments constituted a negligible portion of charges connected to the networks and generally did not introduce significant distortion. Fantastic progress in electronics has changed the situation. Color televisions, dimmers for lighting, audio equipments, microwave ovens and personal computers, all require the use of electronic converters to operate. In addition to these devices, variable speed drives for industrial electric motors, which are made of electronic devices, are also other sources of harmonic pollution. Although, individually, their power is low, together they constitute a considerable source of harmonic pollutions which have serious consequences in the low or medium voltage power networks. In just a few years, issues of the harmonic pollution regarding the quality of electric power had become one of the most important problems that engineers should have confronted. The role of active filters is to compensate harmonics in the power system and improve the efficiency of the electrical power system without any active power consumption. Compensation of non-active power substantially improves the power factor and reduces the total harmonic distortion index (THD) and also the total losses. This means that the system can transfer more active power with the same capacity. Another effect of harmonic compensation is the elimination of associated problems on electrical equipment such as transformers and electrical machines. This master dissertation is dedicated to simulation and real-time control of an active filter to compensate current harmonics in a typical electric system. First, a control model appropriate for the active filter based on a literature review is proposed. Then, the control model is simulated using the Simulink toolbox of MATLAB. The model is then interfaced with the real world by using Opal-RT software to achieve an interconnection with the physical hardware for a real-time control. The final system constitutes a Hardware in the loop (HIL) application.