Harmoniques côté CC et filtrage dans les systèmes de transport CCHT

L'objectif principal du filtrage côté CC dans les systèmes CCHT est de prévenir les perturbations induites dans les systèmes de communication situés à proximité, et tout spécialement dans les liaisons téléphoniques analogiques et les systèmes de signalisation des chemins de fer. Bien que la conversion de nombreuses lignes téléphoniques de ce type vers le numérique et les technologies de fibre optique, et l'usage des téléphones mobiles, aient sensiblement réduit la probabilité de ces interférences, il reste néanmoins en service un grand nombre de lignes téléphoniques analogiques potentiellement vulnérables.

Dans la pratique on a constaté peu de problèmes de perturbations harmoniques provenant du côté CC des très nombreuses liaisons de transport CCHT en service, et peu de problèmes concernant les équipements de filtrage CC en exploitation. Le retour d'expérience montre qu'en général les conceptions ont été au moins adéquates en termes de performance du filtrage, et robustes en termes de dimensionnement et de conception des équipements. Cependant on ne sait pas clairement dans quelle mesure ce retour d'expérience satisfaisant démontre que les filtres CC ont pu être surdimensionnés dans certains cas, et qu'une approche plus économique aurait pu être possible.

Par rapport aux traditionnels convertisseurs à commutation par la ligne (LCC), les convertisseurs à source de tension (VSC), qui sont devenus majoritaires sur le marché, produisent des niveaux considérablement moindres d'harmoniques côté CC. En plus, à ce jour, les systèmes de transport VSC utilisent surtout des liaisons par câbles souterrains avec écran, ce qui réduit l'amplitude des interférences externes. Néanmoins si de tels câbles sont posés dans les emprises routières, ou très près, ils peuvent se trouver à proximité de câbles téléphoniques existants, faisant que le risque d'interférence reste réel.

Malgré cette réduction des interférences potentielles le sujet de la BT continue d'être pertinent et important. Comme les occurrences de problèmes de filtrage du côté CC deviennent moins fréquentes, l'expertise sur le sujet risque de se perdre. La BT est vue en partie comme un recueil exhaustif de la connaissance sur le sujet, qui servira de référence dans le futur. Elle examine aussi certains aspects nouveaux en rapport avec les harmoniques du côté CC, et concernant les interactions avec les lignes CA proches.

Production des harmoniques et théorie du couplage inductif

Dans la BT on expose dans le détail le sujet de la production et de la propagation des harmoniques, tant pour les convertisseurs à commutation par la ligne (LCC) que pour les convertisseurs à source de tension (VSC). Les problèmes concernant la circulation des harmoniques des rangs multiples de trois via les capacités réparties des transformateurs de conversion LCC, et la modélisation adéquate de ce phénomène, sont extensivement traités. Les émissions harmoniques des différents types de convertisseurs VSC sont décrites, avec une discussion des facteurs d'influence les plus importants. Les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC), les plus récents, ne génèrent normalement que des niveaux très bas d'harmoniques, mais avec un spectre très large (Figure 1). On prend aussi en compte l'impédance harmonique du convertisseur vue du côté CC, qui est un élément essentiel de la modélisation harmonique des systèmes CCHT.

Voir une image plus grande

Différentes techniques de modélisation destinées aux études des harmoniques côté CC sont décrites, accompagnées de conseils sur la représentation de tous les composants intéressés.

En matière d'interférence avec le téléphone, la théorie du couplage inductif avec les systèmes de communication vulnérables est très importante. Elle est exposée de façon suffisamment détaillée pour permettre une bonne compréhension du sujet, avec les déductions de l'impédance mutuelle entre les lignes électriques et les lignes de communication, l'influence de la fréquence sur le facteur de protection des écrans, et l'équilibre des paires de câbles téléphoniques. La BT synthétise les éléments importants des publications sur le sujet et fournit des équations et des diagrammes qui seront utiles aux praticiens. On présente l'utilisation de l'analyse modale, celle-ci fournissant une manière claire de représenter le comportement harmonique du circuit CC et ses interactions externes.

Spécification et vérification des performances harmoniques

La déduction et l'utilisation pratique des critères de tension induite et de courant perturbateur équivalent comme indicateurs pour la spécification et l'évaluation des performances harmonique sont examinées, ne regard des normes internationales couvrant les limites du bruit du téléphone, et des conseils sont donnés concernant les manières pratiques de spécifier la performance harmonique. Pour spécifier des valeurs limites adéquates des harmoniques du côté CC une précondition est d'évaluer la position et la vulnérabilité des lignes de télécommunication proches. Ceci peut toutefois se révéler impraticable, tout particulièrement dans le cas d'une liaison CCHT de milliers de kilomètres de long, et on explique dans la BT comment on détermine les limites des performances harmoniques quand a très peu d'informations sur les systèmes de télécommunication qui peuvent être perturbés. On suggère des méthodes pour évaluer rapidement le risque d'une possible interférence d'un projet de tracé d'une nouvelle ligne, ou câble, CCHT. (La Figure 2 en montre un exemple pour un câble téléphonique sans écran – normalement les câbles téléphoniques sont munis d'un écran et les limites du courant perturbateur sont en conséquence plus élevées).

Voir une image plus grande

Il est presque toujours nécessaire de procéder à une évaluation du risque possible d'interférence d'une nouvelle liaison de transport CCHT, même si le filtrage côté CC se révèle finalement non nécessaire. Les risques financiers entrainés par la mise hors service, ou le retard de la mise en service, d'une liaison de transport CCHT à cause d'un niveau excessif d'interférence avec des systèmes de télécomunication tiers, ou par des modifications des installations après mise en service, peuvent être extrêmement élevés et justifient une analyse technique détaillée du risque au moment de la conception.

La vérification de la conformité et les mesures sur site sont un domaine qui n'est pas bien développé dans la littérature, et pour cette raison la BT propose des conseils pratiques sur les différentes méthodes de mesure, en faisant ressortir leurs avantages et inconvénients respectifs, et en examinant leurs limites de précision. La mesure directe des courants harmoniques dans les conducteurs CC, avec une précision suffisante de leur amplitude et de leur phase, peut ne pas être faisable, et une alternative consistant à mesurer la tension induite sur une ligne d'essai parallèle peut fournir une évaluation plus directe de la possible interférence par induction (Figure 3).

Voir une image plus grande

Conception des filtres CC

Les méthodes de réduction des harmoniques, parmi lesquelles l'utilisation des filtres CC et des réactances de lissage,sont exposées, ainsi que d'autres aspects de la conception des convertisseurs et des mesures d'un côté systèmes de télécommunication. Un chapitre détaillé traite de tous les aspects de la conception des différents types de filtres côté CC, en décrivant leur performance harmonique ainsi que le dimensionnement et la spécification de leurs composants (Figure 4). Le dimensionnement aux transitoires, les protections, les considérations économiques, le bruit audible, la conception sismique et les autres aspects pertinents sont examinés. Les implications sur le filtrage des réactances de filtrage côté neutre sont analysées, on met en avant certains points en rapport avec les lignes en parallèle ou les filtres CC de liaisons CCHT parallèles. Des exemples pratiques de calcul des effets des différents aspects de la modélisation des circuits et de la conception des filtres CC et de leur position, sont donnés à titre d'illustration.

La question d'une possible résonance du circuit CC doit toujours être prise en compte, dans la mesure où si le circuit CC résone à une fréquence critique, des niveaux extrêmes de courants et de tensions peuvent être observés, dépassant la valeur nominale des composants et affectant la stabilité des systèmes de contrôle. Les facteurs qui influencent les résonaces de mode pôle et de mode terre, pour les lignes comme pour les câbles de transport, sont examinés, et en particulier l'impédance active des convertisseurs CCHT, et on met en avant les étapes des actions qui peuvent être  prises pour éviter des résonances nocives.

Questions soulevées lors de la rénovation des projets CCHT

Il existe un grand nombre de systèmes CCHT LCC qui demanderont à terme une rénovation. A cette occasion on s'interrogera souvent sur la nécessité de maintenir des filtres CC -  est-il possible de les éliminer, ou au moins de les réduire, pour éviter des remplacements de composants, pour économiser les charges de maintenance actuelles, pour ou diminuer les risques de pannes? Les informations données dans la BT devraient permettre, même à des non-spécialistes, de comprendre les raisons d'être et la conception des filtres existants, et d'apprécier quelle action peut être viable. Différents aspects autres que les interférences télephoniques – comme la résonance, la stabilité du contrôle, les contraintes harmoniques et la suppression des surtensions – peuvent justifier le maintien des filtres existants, le cas échéant en les simplifiant.

Limitation des harmoniques dans les réseaux CC limitation in DC grids

On a beaucoup travaillé sur les réseaux CC au cours des dernières années, mais en portant plutôt peu d'attention à la question des harmoniques côté CC. Pour les liaisons de transport CCHT classiques point à point, la totalité du côté CC est une entité indépendante, appartenenat normalementr à un seul propriétaire, et tous les aspects techniques pertinents sont connus du concepteur. Dans un réseau CC, à l'opposé, il y a une multitude de propriétaires et le réseau peut se développer à un point tel que les caractéristiques harmoniques changent avec le temps. Le niveau des harmoniques peut croître avec l'arrivée des nouveaux systèmes connectés. La BT aborde ces aspects en traçant un parallèle avec le traitement des harmoniques dans les réseaux CA, et introduit le concept de limites d'harmoniques acceptables, de marge, et d'allocation de limites à chaque connexion individuelle.

Couplage à fréquence fondamentale avec les lignes CA

Du fait des difficultés d'obtention des autorisations et des droits de passage pour les lignes aériennes nouvelles, les lignes CCHT empruntent quelquefois le corridor des lignes CA existantes, ou même les supports des lignes de transport CA (Figure 5). Dans de telles situations des courants à la fréquence fondamentale peuvent être induits dans le circuit CCHT. Comme ces courants traversent les convertisseurs CCHT cela va se traduire, par transmodulation, par la circulation d'un courant continu dans les transformateurs de conversion. Ceci tend à provoquer des saturations sur une demi-période, des courants magnétisants élevés et un échauffement additionnel, et la production d'harmoniques et de bruit audible.

Voir une image plus grande

On anticipe que cette préoccupation va devenir de plus en plus petrtinente pour les projets à venir, et demandera à être analysée dans toutes ces situations, même si c'est pour conclure que les mesures de réduction ne sont pas nécessaires. Même si ce problème ne concerne pas directement les harmoniques, les outils et les méthodes de modélisation et d'analyse sont similaires, et les méthodes de réduction sont apparentées, ce qui justifie de s'intéresser à ce sujet. Dans la BT on donne une analyse de tous les aspects de ce phénomène, parmi lesquels l'influence importante du contrôle de puissance active du convertisseur, tant pour les technologies LCC que VSC, et on décrit comment on peut concevoir des filtres bloquant la fréquence fondamentale pour atténuer le problème. L'efficacité des transpositions des lignes CA et/ou CC est également analysée.

Conclusion

La BT constitue un guide sur toutes les questions se rapportant aux harmoniques côté CC, qui doivent être prises en compte dans la préparation des spécifications techniquesd'un projet CCHT, et fournit des conseils pratiques détaillés sur la définition des spécifications des compsants individuels des équipements des filtres, faisant référence aux normes et essais applicables

Des références très complètes sont rassemblées dans une section, et permettent de retrouver toutes les publications importantes en rapport avec le domaine, et de faciliter ainsi l'accès à des développements plus détaillés et plus complets sur chacun des sujets couverts dans la BT.