Des « solutions systèmes » innovantes et économiques à l’ère de la transformation des réseaux énergétiques

La transformation de l’économie énergétique d’une structure centralisée vers un approvisionnement en énergie décentralisé donne naissance à des réseaux énergétiques complexes avec des flux de charge volatils et des directions de flux de charge changeantes. Les répercussions sur le réseau doivent être réduites à un niveau supportable afin d’éviter les perturbations. Dans ce contexte, les convertisseurs conventionnels ou non conventionnels et la technique de mesure de la qualité de l’énergie se rejoignent pour former une « solution système » innovante et économique tournée vers l’avenir.

La transformation de la structure de production, de transport, de distribution et de consommation des réseaux énergétiques d’Europe centrale, mais aussi d’autres régions du monde, s’accélère. En Allemagne, le gouvernement fédéral vise, dans son accord de coalition, l’abandon de la production d’électricité à partir du charbon d’ici 2030, tout en conservant l’adoption de la sortie du nucléaire. Par ailleurs, les Länder doivent mettre à disposition 2 % des surfaces pour l’énergie éolienne. Parallèlement, l’énergie solaire sera obligatoire sur les toits des nouveaux bâtiments commerciaux.

Grâce à toutes ces mesures, les grandes centrales électriques, qui représentent une production d’énergie centralisée, sont progressivement remplacées par de nombreux petits producteurs décentralisés. Ces derniers alimentent généralement tous les niveaux du réseau, du raccordement domestique basse tension au réseau haute tension, à l’aide de composants électroniques de puissance.
En outre, il existe de plus en plus de consommateurs sur le marché qui ont également intégré des éléments d’électronique de puissance dans le cadre de l’amélioration de l’efficacité énergétique. Il en résulte un réseau énergétique complexe avec des flux de charge volatils et des directions de flux de charge changeantes. Les caractéristiques non linéaires des composants d’électronique de puissance entraînent des réactions dans les réseaux d’énergie et sont la principale cause des composantes de tension et de courant à plus haute fréquence dans les réseaux d’énergie.

La modification qui en résulte au niveau des réactions du réseau, par exemple les tensions/courants harmoniques et le flicker, doit être limitée à un niveau tolérable afin d’éviter les perturbations. La structure des producteurs et des consommateurs donne lieu à de nombreux points de transfert et de compensation qui constituent des points névralgiques en termes de garantie de la qualité de la tension.
L’exemple présenté ci-dessous, tiré d’une mesure effectuée par TenneT sur le réseau de transport, montre à titre d’exemple la variation de certains niveaux d’harmoniques sur cinq ans par rapport à l’année 2017. Les quantiles maximums à 95 % d’une semaine ont été comparés. La figure 1 ne montre que les ordres d’harmoniques avec des niveaux de mesure pertinents pour l’évaluation. Il s’avère que les modifications du réseau – par exemple le nouveau raccordement de composants électroniques de puissance ou une modification de la topologie du réseau – peuvent entraîner des changements significatifs dans les niveaux de mesure.

Pour pouvoir déterminer les niveaux d’harmoniques et le facteur THD (Total Harmonic Distortion), il est nécessaire de disposer d’appareils de mesure de la qualité de l’énergie qui enregistrent déjà les composantes de tension et de courant à haute fréquence jusqu’au domaine des supraharmoniques. De plus, ces appareils peuvent, par exemple, aider à l’analyse des perturbations grâce à des interfaces de transitoires intégrées avec un taux d’échantillonnage pouvant atteindre 40,96 kHz.

Outre l’augmentation mentionnée des émetteurs d’harmoniques, chaque réseau d’énergie possède également des résonances parallèles et sérielles qui s’alternent lorsque la fréquence augmente, en commençant par une résonance parallèle. Les harmoniques peuvent exciter ces systèmes, ce qui peut alors entraîner des perturbations importantes telles que du bruit, des dommages aux équipements ou des interactions avec les équipements d’électronique de puissance.

L’expérience pratique montre que les phénomènes mentionnés précédemment se produisent de manière accrue. Cela peut notamment s’expliquer par la modification de la structure des producteurs et des consommateurs, mais aussi par l’ajout de tronçons de câblage partiels.

Un comportement de transmission défini des transformateurs de courant et de tension installés est une condition préalable aussi bien pour la recherche d’erreurs que pour la surveillance des valeurs limites. En principe, les appareils de mesure de la norme PQ doivent fournir des données qui résistent aux tribunaux, mais qui sont également traçables. C’est pourquoi la norme sur les instruments de mesure IEC 61000-4-30 pour les appareils de classe A décrit entièrement l’agrégation et la précision des données de mesure. La précision des entrées de mesure doit être <0,1 %, celle de la mesure des harmoniques <5 %.

Toute la chaîne de mesure doit être prise en compte

Le lien entre l’appareil de mesure PQ et le réseau d’énergie est la conversion des signaux de courant et de tension. On utilise souvent des transformateurs de courant et de tension conventionnels, testés selon la norme CEI 61869-2, -3, -4 ou -5. Le problème est que ces transformateurs sont conçus et testés pour fonctionner à la fréquence nominale et que leur comportement de transmission de la fréquence ne permet pas une détection précise des harmoniques d’ordre supérieur et des supraharmoniques avec une précision suffisante. Par conséquent, la dépendance du rapport de transmission par rapport à la fréquence n’est souvent pas prise en compte.

Cette approche comporte toutefois de grandes incertitudes, car des informations précises sur le rapport de transmission dépendant de la fréquence ne peuvent être obtenues qu’au moyen de procédés de mesure complexes, souvent après des perturbations. La question se pose donc de savoir avec quelle technologie des appareils primaires il est possible de réaliser une mesure de tension adéquate sur un très large spectre de fréquences.

Alors que les transformateurs de courant présentent, comme le montre la figure 2, un comportement en fréquence relativement large, celui-ci est fortement limité pour les transformateurs de tension inductifs en raison des points de résonance propres (figure 3), de sorte que ceux-ci ne satisfont pas aux exigences de la mesure de la Power Quality. De plus, ces points de résonance propres se rapprochent de la fréquence du réseau lorsque la tension du système augmente, ce qui réduit encore l’aptitude à la mesure de la PQ (voir CEI/TR 61869-103). Il en résulte l’exigence d’un principe de mesure alternatif.

Les diviseurs de tension résistifs-capacitifs, en abrégé diviseurs RC, conviennent à cet effet en raison de leur excellente réponse en fréquence et sont généralement utilisés dans les réseaux à très haute et haute tension.

En accordant ces composants primaires avec les grandeurs de mesure électriques présentées dans la figure 4, il est possible d’atteindre une classe de précision de 0,2 dans la plage de fréquence de 0 à 10 kHz.

Mesures de la qualité de l’énergie sur le réseau de transport de TenneT

Chez le gestionnaire du réseau de transport TenneT, de plus en plus de producteurs et de consommateurs non linéaires tels que HVDC, STATCOM, installations de stockage par batterie, installations d’électrolyse ou parcs éoliens sont déjà et seront de plus en plus raccordés au réseau à très haute tension.

La règle technique VDE-AR-N 4130 pour le raccordement d’installations de clients au réseau à très haute tension et leur exploitation (TAR très haute tension) ainsi que la règle technique VDE-AR-N 4131 pour le raccordement de systèmes HVDC et d’installations de production raccordées via des systèmes HVDC (TAR HVDC) exigent entre autres des limites supérieures pour l’injection de composantes harmoniques et de parts supérieures à la plage de fréquences harmoniques jusqu’à 9 kHz au point de raccordement au réseau. Dans ce contexte, les émissions autorisées doivent être coordonnées entre les parties prenantes au raccordement et une preuve doit être apportée à l’aide de méthodes appropriées.

Les mesures sur le nœud de réseau avec des producteurs et des consommateurs non linéaires sont aujourd’hui effectuées au moyen de diviseurs RC fixes et des appareils de mesure de la qualité de l’énergie PQI-DA smart (ou PQI-DE). L’impédance des deux appareils, y compris la longueur de câble mesurée, est adaptée l’une à l’autre afin d’obtenir la meilleure précision de mesure possible.

En outre, dans le réseau à très haute tension, de plus en plus de tâches de mesure temporaires nécessitant une précision accrue doivent être effectuées pour les mesures de qualité de puissance ou pour l’enregistrement des processus de commutation transitoires.

Il s’agit par exemple de:

• Détermination des harmoniques de fond pour la coordination des harmoniques dans la phase de planification de projets avec de nouveaux raccordements de générateurs et de consommateurs non linéaires.
• Mise en service de nouveaux équipements
• Etudes temporaires dans le cadre de la mise en service de nouveaux tronçons de réseau

Pour ce faire, TenneT a déjà mis en place deux systèmes de mesure mobiles.

Ces systèmes de mesure mobiles se composent d’un diviseur RC monté sur une remorque et d’une structure spéciale avec la technique de mesure et de communication installée pour la connexion au réseau de communication. Cela permet, en combinaison avec les câbles de raccordement pré-confectionnés, d’obtenir une mesure de qualité équivalente à celle d’un système de mesure installé à demeure.

La figure 5 montre le diviseur RC mobile de PFIFFNER Messwandler dans la pratique et la figure 6 les appareils de mesure PQI-DA smart et PQI-DE d’A. Eberle dans le système interconnecté pour la saisie de la Power Quality.

Les enregistreurs de perturbations et les analyseurs de réseau Power Quality PQI-DA smart et PQI-DE sont les composants centraux d’un système qui permet de résoudre toutes les tâches de mesure dans un réseau basse, moyenne ainsi que haute et très haute tension (figure 7).

Les analyseurs peuvent être utilisés comme enregistreurs de perturbations avec une fréquence d’échantillonnage allant jusqu’à 40,96 kHz, comme appareils de mesure de la qualité de l’alimentation selon EN50160/IEC 61000-2-2/4 ou comme analyseurs de puissance. Ces composants sont surtout adaptés à la surveillance et à l’enregistrement de qualités de référence spéciales ou d’accords de qualité entre le fournisseur d’énergie et son client, ainsi qu’à l’évaluation ou à l’enregistrement.
Les appareils modernes de mesure de la qualité de la tension fonctionnent selon
la norme CEI 61000-4-30, Ed. 3 (classe A). Cette norme
définit des méthodes de mesure afin de créer une base comparable pour l’utilisateur.

L’exemple de la figure 8, issu d’une campagne de mesure avec le système de mesure mobile décrit, montre des résultats de mesure des bandes de 200 Hz dans la gamme de fréquence au-dessus de l’harmonique 40 jusqu’à 9 kHz, conformément à la méthode de mesure de la norme DIN EN 61000-4-7.

A. Eberle et PFIFFNER Messwandler, bien sûr en collaboration avec des fournisseurs d’énergie comme TenneT, ont reconnu très tôt les signes du temps et agi en conséquence. Les jalons pour des solutions d’avenir sont posés.