4.3 Modélisation de l'onduleur
Le modèle général basé sur
l'onduleur de tension considéré dans cette étude est une
topologie d'onduleur du courant continu au courant alternatif bidirectionnel
triphasé avec une technique d'impulsions comme présentée
à la Fig.4.1. Fondamentalement, cet onduleur triphasé à
deux niveaux convertira la tension de sortie continue en une tension
alternative et à une fréquence de sortie souhaitée. Ceci
peut être réalisé en utilisant différentes
topologies d'onduleurs et schémas de commande ayant chacun leurs
avantages et inconvénients. Aux fins de la présente étude,
l'onduleur à concevoir et à modéliser est un onduleur
universel connecté au réseau dont les sources continues sont
alimentées par différentes sources. La représentation
électrique simple de l'onduleur étudié est
illustrée à la Fig. 4.3.
Une topologie d'inverseur triphasé à six
commutateurs est utilisée dans cette recherche en tant que partie
onduleur. La topologie est composée de six commutateurs disposés
de telle sorte que trois branches parallèles soient connectées
aux sources de courant continu. Il est également disposé de
manière à ce que deux commutateurs soient connectés en
série sur chaque branche, chaque cellule de commutation étant
composée d'un transistor et une diode connectée en
antiparallèle. Ainsi, les sources d'entrée CC s'appliquent aux
trois branches parallèles supérieure et inférieure de
l'onduleur et à deux condensateurs de liaison CC connectés en
série. Le résultat de la sortie CA triphasée se produit
entre les deux commutateurs de chaque branche, ce qui rend la configuration de
l'onduleur très simple, largement utilisée et une bonne topologie
pour intégrer davantage de fonctionnalités de l'onduleur ce qui
est très souhaitable pour ce mémoire de recherche.
De nombreux commutateurs se trouvent sur le marché,
tels que les MOSEFT et les IGBT, dans ce mémoire, le type de commutateur
utilisé est l'IGBT avec des caractéristiques permettant la
circulation du courant dans les deux sens et le blocage de la tension dans un
sens. L'IGBT utilisé en tant que commutateur doit atteindre la condition
de fonctionnement de la fonction de commutation afin de garantir que le courant
de l'inductance du filtre ne soit pas perturbé dans le circuit.
43
Figure 4. 1: Convertisseur CC / CA
bidirectionnel
La commutation de l'onduleur est contrôlée par
une technique de MLI afin de générer une tension de sortie non
filtrée. L'ensemble du système d'onduleur est
amélioré grâce à une approche de commutation MLI
sinusoïdale. La modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale (MLIS)
est utilisée pour générer les signaux de commutation pour
l'onduleur à une amplitude et une fréquence de commutation
souhaitées avec la comparaison d'une onde sinusoïdale
triphasée et d'une onde triangulaire (porteuse V). La fréquence
de l'onduleur est définie par la fréquence du signal triangulaire
qui se traduit par des impulsions qui commandent le signal du commutateur de
l'IGBT.
La modélisation des formes d'onde sinusoïdales de
référence est donnée à l'aide des équations
suivantes :
Voa_ref = A sin(27rf t + 0) 4. 1
Vob_ref = A sin(27rft + (0 - 12o°)) 4.
2
Voc_ref = A sin(27rf t + (0 + 12o°)) 4.
3
A étant l'amplitude de la forme d'onde
sinusoïdale de référence, la fréquence f de
la forme d'onde de sortie, et l'angle 8 comme le
déphasage.
La Fig. 4.2 présente le modèle d'étude
qui contient trois composants principaux : les sources à courant
continu, l'onduleur triphasé et le filtre connecté à la
charge ou au
44
réseau. La source CC intègre la source
principale, notamment la pile à combustible, photovoltaïque, et les
batteries sont tous connectés à l'onduleur via une liaison CC.
Dans le cas des éoliennes qui produisent les CA, un convertisseur CA /
CC est mis en place avant le convertisseur élévateur (hacheur) CC
/ CC. L'onduleur qui fournit la conversion CC / CA est un intercepteur à
modulation de largeur à impulsion (MLI) contrôlée par
phase. Le filtre vers la connexion de charge est un filtre LCL qui sert
à minimiser les harmoniques de commutation.
Figure 4. 2 : Modèle d'une charge
connectée au réseau via un onduleur de
tension.
Le circuit de puissance pour le modèle de la Fig.4.2
utilisant un onduleur à technologie IGBT à basse tension à
trois niveaux est illustré à la Fig.4.3.
Figure 4. 3 : Circuit d'alimentation de charge
connectée au réseau via
l'onduleur.
La séquence de commutation de l'IGBT de l'onduleur est
représentée dans le tableau ci-dessous :
45
Tableau 4. 1 : Schéma de commutation de
SMLI
|
Commutateur
IGBT
|
Tension
sinusoïdale
|
Vs > Vo
|
Vs < Vo
|
|
S1
|
???? ??
|
ON
|
OFF
|
|
S6
|
OFF
|
ON
|
|
S2
|
??????
|
ON
|
OFF
|
|
S5
|
OFF
|
ON
|
|
S3
|
??????
|
ON
|
OFF
|
|
S4
|
OFF
|
ON
|
Les interrupteurs IGBT connectés sur chaque branche de
l'onduleur sont activés / désactivés (ON /OFF)
alternativement, ce qui entraîne un flux de courant de sortie continu.
L'indice de modulation typique est compris entre 0 et 1. Il s'agit de limiter
l'amplitude de la tension de l'onduleur du côté de la sortie CA.
La magnitude et l'amplitude de la forme d'onde de la tension côté
courant alternatif principal de l'onduleur lorsque la commutation MLI est
appliquée et peuvent être déterminées à
l'aide des équations suivantes (Mohan et al., 2003).
|
????????
????????
|
=
=
|
??
× ?????? = ??.?????? ??????
v??
v??
× =
|
4. 4
4. 5
|
|
?????? ??.???????€????
??v??
|
Pour modéliser le comportement de la charge en mode
dynamique, il est également important d'établir la relation entre
les différentes tensions et courants du système. Le rapport entre
la tension de liaison continue (VBus) et la tension de sortie alternative (Vo)
dépend de l'état des commutateurs de l'onduleur. Si on suppose
que les commutateurs sont parfaits (donc pas de chute de tension ni de temps
mort entre les deux), dans le cas où le neutre a été
connecté au point milieu du bus continu, les équations sont les
suivantes : (HAMIL, 1994):
?????? ?? ?? ??
?????? = ?? ?? ??.[??????
?? .???????? 4. 6
?????? ?? ?? ??] ???? ??
Dans le cas où le neutre n'est pas connecté
à la tension de phase, l'équation sera donc :
?????? ?? -?? -?? ????
] . ????????
[ ?????? ] = [ -?? ?? -?? ] . [ ???? 4. 7
??
?????? -?? -?? ?? ????
46
Dans ces équations,
Uk désigne la fonction de
commutation qui prend la valeur 1 lorsque les commutateurs supérieurs
sont fermés (S1, S2 ou S3) et -1 lorsque les commutateurs
inférieurs sont fermés (S4, S5 ou S6). Cette fonction de
commutation est obtenue en comparant deux signaux (Fig.4.3) : la modulation
13k, qui est une représentation de référence de la tension
de sortie souhaitée entre -1 et 1, et la porteuse
Vcarr, qui est la fréquence
triangulaire MLI très supérieure à la fréquence de
13k détermine donc la fréquence de commutation de l'onduleur.
Figure 4. 4: Détermination des instants de
commutation dans le cas d'un
intercepteur MLI.
Les modèles représentés par les
équations Eq. 4.4 et éq. 4.5 sont les modèles exacts car
ils décrivent le comportement exact de la configuration de l'onduleur
après l'installation. Cependant, cette représentation n'est pas
la plus adéquate pour tous les types de simulation et d'analyse. Dans
les onduleurs basses tensions contrôlés par les MLI interceptifs,
la fréquence de commutation est très élevée
(jusqu'à quelques kilohertz).
Pour représenter finement toute la commutation, le
calcul des simulations doit être très faible pour obtenir un
meilleur résultat, ce qui ralentit énormément les
simulations. Si l'objectif de l'étude n'est pas d'analyser en
détail la commutation, l'onduleur analyse sinon ses structures de
commande. Son comportement peut être décrit par un modèle
idéalisé basé sur le même principe de la technique
MLI : la fonction de commutation moyenne dans la période de commutation
doit être égale à une valeur du signal de
référence sélectionné pendant toute cette
période (cette valeur dépend de la technique MLI
utilisée).
Si la dynamique du signal triangulaire est très
supérieure à celle du signal de référence, on peut
considérer que la moyenne est égale à sa valeur actuelle
de sorte
que la valeur moyenne de Uk est
identique à l'onde de référence 13k :
IJk = (Uk)O 4. 8
??
????
??
??
????
Les principaux avantages sont l'obtention sur un modèle
continu dans le temps, sans commutation, et la possibilité d'utiliser
des valeurs calculées plus élevées dans les simulations.
Le modèle idéalisé permettait des simulations relativement
rapides tout en bénéficiant d'une bonne précision des
résultats.
?????? ?? ?? ?? ????
[ ?????? ] = [ ?? ?? ?? ] . [ ????
?????? ?? ?? ?? ????
Le modèle idéalisé de l'onduleur
connecté à un neutre est ensuite exprimé par les
équations suivantes :
] . ???????? 4. 9
??
Dans le cas où le neutre n'est pas connecté, le
modèle moyen sera donc :
?????? ?? -??-?? ????
] . ????????
[ ?????? ] = [ -?? ?? -?? ] . [ ???? 4. 10
???????? -?? -?? ?? ????
L'onduleur triphasé modélisé avec le
modèle idéalisé équivaut à des amplitudes
contrôlées de sources de tension triphasées
calculées par les équations 4.7 ou 4.8. Le circuit
électrique équivalent devient alors :
Figure 4. 5 : modèle idéalisé de
charge connectée au réseau via un onduleur.
L'équation de la relation entre la tension de sortie de
l'onduleur (Vo) et le courant à la sortie du filtre LCL (I2) est comme
suit :
??
?????????? -????
???? - ???? ??
????
??????
= ???? ?? - ??
??
???? ????
?????? ?? ?? - ????
???? ] [????
????????
. [ ???? ] +
???? [
??
??
. ???????? + [ ]. ???? 4. 11
- ??????
47
Si l'on considère que la tension de sortie du
système dans le condensateur C1, le rapport entre cette tension et la
tension de l'onduleur est :
48
?????????? - ???? ??
???? - ?? ??
???? ???? ] . [????????
[ ] = [ - ?? 4. 12
?????? ?? ???? ] + [ ] . ???????? + [
???? ] . ????
???? ?? ?? ????
????
| 
