L’impact des véhicules électriques sur la qualité de l’alimentation

Note de l’éditeur

La mise en œuvre de sources d’énergie verte, comme les parcs éoliens et les centrales solaires pour produire de l’électricité, associée à l’utilisation de véhicules verts est idéale pour l’environnement, mais problématique en ce qui a trait à la qualité de l’énergie produite et consommée. L’équipement alimenté par courant continu (c. c.), comme les systèmes photovoltaïques et les bornes de recharge pour véhicules électriques créent une distorsion non linéaire qui peut provoquer une défaillance de l’équipement électrique. Des chercheurs du groupe de recherche de l’électronique de puissance et de contrôle industriel (GRÉPCI) à l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal ont trouvé une solution pour corriger les distorsions et améliorer la qualité de l’onde électrique pour répondre aux besoins actuels et futurs des véhicules électriques..

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Problèmes associés à la recharge de véhicules électriques

Figure 1 : un exemple de réseau intelligent comportant de nombreuses sources d’énergie.

La planification de futurs réseaux intelligents comportant des bornes de recharge de véhicules électriques fait craindre pour tous les aspects de la qualité de l’onde des systèmes d’alimentation. En effet, la mise en place généralisée de ces bornes entraîne des effets néfastes sur les niveaux de tensions harmoniques du réseau de distribution d’énergie (figure 1).

D’un autre côté, l’augmentation des harmoniques  provenant de charges non linéaires, comme les chargeurs de batteries de propulsion des véhicules électriques, doit être considérée dans le développement des réseaux modernes. De plus, l’accroissement de la moyenne quadratique (rms) et de la valeur de crête des ondes de courant déformées augmente les pertes par échauffement et peut causer une défaillance de l’équipement électrique. Un tel phénomène réduit manifestement l’efficacité du réseau et devrait être corrigé adéquatement.

Figure 2 : points de couplage commun (PCC – points verts) des différents éléments dans un microréseau.

En outre, pour protéger les points de couplage commun (PCC) contre les distorsions de tension (figure 2), il existe une option : les systèmes de restauration dynamique de tension (DVR) qui sont « des méthodes et des appareils utilisés pour maintenir ou restaurer une charge électrique opérationnelle pendant les creux ou les pointes de la tension de l’alimentation. […] Ce dispositif personnalisé atténue les dommages potentiels à l’équipement et les ralentissements indésirables sur les chaînes de production causés par de brusques changements de la charge électrique » [1].

Dans cet article, un compensateur de puissance active hybride (THSeAF) est proposé pour nettoyer les courants harmoniques générés par une charge non linéaire dans un réseau intelligent. L’avantage du système proposé provient du fait que la tension harmonique non linéaire et les charges générant un courant pourraient être efficacement compensées (figure 3).

Figure 3 : schéma d’une charge monophasée couplée à un compensateur de puissance active hybride THSeAF (a). Schéma électrique du THSeAF pour une charge monophasée (b).

La puissance est le produit obtenu en multipliant la tension par le courant. Pour régulariser la demande en puissance, les réseaux intelligents doivent être corrigés afin d’obtenir une tension et une onde de courant linéaires. Le graphique suivant montre la tension et le courant correspondant à un monophasé de 2 kVA lors d’un fonctionnement régulier.

Figure 4 : Effet d’une charge non linéaire sur le courant (rose) et la tension (vert) d’un réseau.

La deuxième série d’ondes montre la distorsion de la tension du réseau causée par charge linéaire sans compensateur. Le compensateur THSeAF va corriger la non-linéarité produite. À titre de comparaison, voici l’effet d’une borne de recharge d’une voiture Nissan Leaf sur le courant et la tension d’un réseau, mesuré à l’École de technologie supérieure de Montréal.

Figure 5 : effet d’une borne de recharge d’une voiture électrique Nissan Leaf sur le courant (rose) et la tension (vert) d’un réseau.

Le compensateur THSeAF offre une solution de rechange aux convertisseurs classiques dans les systèmes d’alimentation distribuée utilisant plusieurs sources d’énergie renouvelables, où chaque phase peut être conditionnée séparément et exploitée indépendamment des autres phases. Nous démontrons que le remplacement d’un convertisseur triphasé par des convertisseurs à pont en H monophasés permet d’éliminer le coûteux transformateur d’isolement et encourage les industries à filtrer leurs signaux. Ce montage a démontré une grande capacité à effectuer les tâches de compensation demandées pour la correction des distorsions de courant et de tension, du facteur de puissance, ainsi que la restauration de la tension sur la borne de recharge.

Technologies de pointe

Bien qu’on tente de régler certains cas particuliers, une solution générique doit être envisagée. Il existe deux types d’appareils de puissance active pouvant résoudre les problèmes de qualité de l’onde décrits. La première catégorie est une série de filtres actifs qui comprend les filtres hybrides. Cependant, la complexité de l’installation et la nécessité d’ajouter un transformateur d’isolement ont diminué leur utilisation dans les réseaux de distribution industriels.

La seconde catégorie d’appareils a été développée pour régler les problèmes de tension des charges sensibles. Ces deux catégories appliquent des principes de commande différents selon l’objectif particulier de l’application. Le filtre actif de série hybride (HSeAF) a été proposé pour régler les problèmes mentionnés précédemment au moyen d’un seul montage. Hypothétiquement, ils peuvent compenser les harmoniques de courant, assurant une correction du facteur de puissance, et éliminant les distorsions de la tension au point de couplage commun. Ces propriétés le rendent assez intéressant pour justifier des investissements reliés à la qualité de l’onde.

Conclusion

Dans cette recherche, un HSeAF sans transformateur a été développé et testé pour améliorer la qualité de l’onde. Comme le nombre de charges non linéaires ne cesse d’augmenter et que les consommateurs exigent une alimentation fiable, des actions concrètes doivent être prises pour les futurs réseaux intelligents afin d’intégrer de façon harmonieuse les chargeurs de batterie des voitures électriques au réseau. La nouveauté principale de la solution proposée est qu’elle pourrait améliorer la qualité de l’onde de manière plus générale en compensant un large éventail d’harmoniques de courant. Toutefois, on peut voir que le THSeAF normalise et améliore la tension au point de couplage commun. Cet arrangement permet de compenser activement le courant électrique du réseau lorsqu’il est relié à une source auxiliaire renouvelable, ce qui est essentiel pour garantir une alimentation constante des charges critiques. Agissant comme une haute impédance pour les harmoniques, il corrige l’alimentation et assure un facteur de puissance unitaire. La modélisation théorique de l’agencement proposé a été effectuée. L’agencement sans transformateur présenté dans cet article, a été simulé et validé expérimentalement. Il a été démontré que ce compensateur actif répond adéquatement aux variations de tension de la source en fournissant une alimentation constante et sans distorsion aux bornes de recharge. De plus, il élimine les harmoniques des courants d’alimentation et améliore la qualité de l’onde du réseau sans nécessiter l’habituel transformateur de série volumineux et coûteux.

Information additionnelle

Pour obtenir de plus amples informations sur ce sujet, nous vous invitons à lire l’article de recherche suivant :

Alireza Javadi and Kamal Al-Haddad(2015). A Single-Phase Active Device for Power Quality Improvement of Electrified Transportation. IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 62, no. 5, May 2015, pp. 3033-3041.

Veuillez consulter notre site Web pour plus d’information sur les autres projets de recherche et les étudiants recherchés au Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle (GRÉPCI).