Evaluation des perturbations de fréquence supérieure à 2 kHz transmises par conduction dans les réseaux électriques BT et MT

L'industrie de la fourniture de l'électricité a connu des changements, aux plans de l'exploitation et de son efficience, liés à la mise en œuvre de la conversion de puissance électronique, des compteurs intelligents, et des liaisons de communication. En particulier les communications par courants porteurs sur les lignes électriques (PLC) sont devenues une composante importante des systèmes de compteurs intelligents et des réseaux intelligents (Smart Grid). Cependant les convertisseurs de puissance électroniques et les PLC surimposent par transmission galvanique des tensions perturbatrices de fréquences différentes de la fréquence du réseau ; ils distordent ainsi la forme de l'onde sinusoïdale et mettent en péril l'interopérabilité des principaux équipements ^[1]. Auparavant les perturbations à des fréquences de la plage 2-150 kHz ne faisaient pas, généralement, l'objet de réglementations, mais ces fréquences sont celles qui, en premier lieu, posent des problèmes du fait de leur transmission par conduction, et on peut trouver dans ^[2] une description détaillée de leurs sources et de leurs effets. On s'intéresse, par conséquent, de plus en plus à la nature des perturbations du réseau d'alimentation dans cette plage de fréquence. Les perturbations à des fréquences élevées de la plage 2-150 kHz transmises par conduction, et les problèmes qu'elles induisent sur les équipements raccordés aux réseaux électriques BT et MT, constituent par conséquent le sujet central de la Brochure Technique (BT).

Dans la plage des fréquences 2-150 kHz on parle souvent de supra-harmoniques. Il faut pouvoir mesurer et analyser complètement les caractéristiques temps /fréquence des supra-harmoniques. Ceux-ci sont variables dans le temps sur une période de la fréquence du réseau d'alimentation et présentent une large gamme de composantes de fréquence, comme montré sur la Figure 1. Aujourd'hui il n'existe pas de normes reconnues régissant la mesure des émissions de courant et de tension dans la plage de fréquences 2-150 kHz. Il faut porter beaucoup d'attention à la largeur de bande choisie pour le récepteur et à la durée d'exécution de la mesure. On a constaté que les méthodes les plus courantes d'évaluation des émissions supra-harmoniques pouvaient conduire à ne pas appréhender des caractéristiques importantes et, donc, à ne pas fournir une mesure représentative des interférences potentielles ^[3]. Ceci pouvait conduire à des procédures de protection inadaptées.

Pour évaluer l'impact des supra-harmoniques, on doit complètement comprendre comment ils se propagent et comment ils s'additionnent. Bien que les supra-harmoniques présentent des propriétés qui sont synchrones avec la fréquence du réseau d'alimentation (c’est-à-dire des impulsions avec les mêmes passages à zéro), elles sont essentiellement produites par les modulations de largeur d'impulsions calées sur un oscillateur non synchronisé. Les supra-harmoniques présentent, par conséquent, une différence avec les harmoniques de fréquences plus basses parce qu'elles varient fortement dans le temps et que leurs sources ont tendance à ne pas être corrélées. Les supra-harmoniques se propagent principalement par les conducteurs. L'impédance du réseau électrique varie très fortement en fonction de la fréquence dans la plage des fréquences 2-150 kHz, du fait de l'effet de peau ^[4], et varie énormément dans le temps du fait de la commutation des charges non linéaires ^[5]. L'estimation de la propagation et l'agrégation des supra-harmoniques est, par conséquent, tout à fait complexe et pas encore complètement comprise.

Ce n'est qu'assez récemment que des normes de compatibilité couvrant la plage des fréquences 2-150 kHz ont été publiées ^[6].Cela explique que les limites d'émissions qui existent (intentionnelles et non intentionnelles) et que les niveaux d'immunité ^[7] ne soient pas complétement en accord. Des travaux complémentaires sont nécessaires pour harmoniser les normes concernant les supra-harmoniques, mais l'objectif ne pourra être atteint que par une meilleure compréhension technique des phénomènes.

Domaine couvert

La Brochure Technique a pour objectifs de :

• Faire prendre conscience des problèmes concernés
• Fournir une description technique des phénomènes
• Faire le point des recommandations et guides existants
• Identifier les déficits de connaissance, et les travaux futurs

La Brochure Technique n'a pas pour objectif de prescrire des limites ; néanmoins elle fait référence, quand c'est approprié, à des travaux en cours dont on pense qu'ils vont aboutir à une normalisation de limites pour la plage de fréquence concernée. Des informations sur les définitions concernant le réseau d'électricité, sur les techniques de mesures, sur les modélisations et l'agrégation, sont également données dans la Brochure Technique.

Contenu et enseignements

Dans la plage de fréquences 2-150 kHz les EMI (interférences électromagnétiques) peuvent être à large bande, à bande étroite, ou récurrentes, dues à des émissions transmises par conduction, à partir de convertisseurs de puissance, et dues à des composantes non intentionnelles venant des systèmes de communication utilisant le réseau d'alimentation. Ces sources sont rapidement décrites dans la Brochure Technique. Des signaux à spectre étroit sont également émis intentionnellement par le système de communication du réseau d'alimentation. Dans la Brochure Technique on explique comment il est possible d'évaluer les différentes composantes en utilisant les STFT (Transformée de Fourier à Court Terme, ou Locale), avec un filtrage adapté.

Les méthodes de mesure et de calcul de l'impédance des conducteurs sont décrites exhaustivement dans la Brochure Technique. Un exemple d'étude de la propagation et de l'agrégation des supra-harmoniques pour un parc solaire est donné à titre de démonstration. On montre :

• Qu'il semble que les onduleurs s'influencent mutuellement et que les courants supra-harmoniques ont plus de probabilité de circuler entre onduleurs que de circuler dans le réseau ;
• Que la modification des harmoniques produits ne change pas significativement avec le niveau des courants injectés à la fréquence des commutations ;
• Que l'agrégation des différents harmoniques semble être un processus stochastique. On ne peut pas, probablement, la décrire sous une forme mathématique utilisable :
  • A 16 kHz le courant résultant de 10 unités photovoltaïques est pratiquement le même (et dans certains cas même plus faible) que les courants issus de chaque panneau PV ;
  • A 19 kHz le courant résultant de 10 unités PV est entre 5 à 10 fois plus élevé que le courant de chacun des panneaux PV ;
• Que la modification du niveau de production d'une unité PV ne changement pas significativement le courant perturbateur injecté à la fréquence de commutation ;
• Que l'on ne peut pas tirer des conclusions relative à l'atténuation de ces mesures, parce qu'il n'a pas été possible de mesurer le courant d'un même onduleur, en deux endroits et en même temps (par ex. au niveau de l'onduleur et sur le tableau de distribution) ;
• Que les valeurs mesurées du courant de l'émission dans la plage 2 kHz à 30 kHz sont très loin en-dessous des limites des essais d'immunité stipulées dans les normes CEI 61000-4-19 ^[8].

Ces résultats sont en concordance avec les résultats des autres chercheurs ^[9]. La Brochure Technique, en plus, présente et discute rapidement les normes en rapport avec le sujet.