Création d’enquêtes sur la qualité de l’énergie

Utilisation d’une PQ-Box et du logiciel WinPQ mobil

Les réseaux électriques sont des systèmes techniques comportant de nombreux acteurs en interaction, tels que des charges énergétiques, des générateurs, des systèmes de stockage ou des équipements de compensation. Ces dispositifs sont tous connectés d’une manière ou d’une autre et doivent donc fonctionner de manière à ne pas affecter négativement d’autres dispositifs de manière inadmissible.
De nos jours, de plus en plus de consommateurs d’énergie classiques, comme les machines synchrones, sont remplacés par des entraînements à fréquence variable qui offrent une efficacité et une variabilité accrues, mais qui posent de nouveaux problèmes dans les plages de fréquence plus élevées.
Afin de réguler les émissions de perturbations de cette variété de charges, plusieurs normes de réseau (par exemple EN 50160, IEC 61000-2-2, IEEE-519,…) ont été établies au fil des ans. Le rapport suivant montre l’interaction entre une PQ-Box et le logiciel WinPQ mobil qui sont utilisés pour effectuer une évaluation des niveaux de perturbation à un point de mesure selon les normes de réseau actuelles.

Vue d’ensemble de toutes les normes applicables au réseau pour la qualité de l’électricité

Le tableau suivant donne un aperçu des normes de réseau internationales les plus couramment utilisées. Afin d’évaluer la qualité de l’énergie à un point de mesure spécifique, il est important de prendre en compte les normes qui s’appliquent au réseau mesuré. Comme vous pouvez le voir dans le tableau, certaines normes s’appliquent à des niveaux de tension spécifiques. Dans la plupart des cas, la basse tension est considérée comme une tension de bus < 1 kV, la moyenne tension de 1 kV à 35 kV et la haute tension > 35 kV.
Les types de réseaux ayant des niveaux de tension différents ont des caractéristiques différentes, ce qui se traduit par des seuils et des exigences différents pour l’évaluation des mesures. Certaines normes sont explicitement conçues pour une plage de tension spécifique. Les normes courantes telles que l’EN 50160 et la CEI 61000-2-2 tentent de couvrir un large éventail de paramètres électriques pour les réseaux électriques, par exemple la fréquence, les niveaux de tension, le papillotement, les harmoniques de tension et le THD. Elles indiquent, du point de vue du fournisseur d’énergie, le niveau de qualité de l’énergie auquel un client peut s’attendre à un point de connexion. D’autres normes, plus spécifiques, comme la norme CEI 61000-3-12, ne sont utilisées que pour l’évaluation des harmoniques de courant et concernent les exigences auxquelles les nouvelles charges doivent satisfaire avant d’être autorisées à être connectées à un réseau électrique.
La norme à utiliser pour un point de mesure dépend toujours de la nature du problème de qualité de l’énergie. Une étude générale nécessite une norme universelle. S’il existe un problème spécifique d’interférence à haute fréquence, il est logique d’opter pour une norme spécifique telle que la CEI 61000-2-2.

EN 50160

Description: Caractéristiques de la tension dans les réseaux publics d’approvisionnement en électricité

S’applique à:  Basse, moyenne et haute tension (réseaux publics européens)

Quantités couvertes:

  • Fréquence
  • Tension
  • Scintillement
  • Fréquence, Tension, Scintillement,
    Harmoniques de tensionHarmoniques de tension
IEC 61000-2-2

Description: Compatibilité électromagnétique dans les réseaux publics

S’applique à: Réseaux publics basse tension

Quantités couvertes:

  • Fréquence
  • Tension
  • Scintillement
  • Harmoniques de tension
  • Bandes de fréquence des harmoniques jusqu’à 150 kHz
IEC 61000-2-12

Description: Environnement – Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites à basse fréquence et la signalisation dans les réseaux publics d’alimentation électrique à moyenne tension

S’applique à: Réseaux publics à basse tension (International)

Quantités couvertes:

IEC 61000-2-4

Description: Compatibilité électromagnétique pour les perturbations liées à la ligne

S’applique à: Réseaux industriels à basse tension (International)

Quantités couvertes:

  • Fréquence
  • Tension
  • Scintillement
  • Harmoniques de tension
IEEE 519

Description: Pratique recommandée et exigences pour le contrôle des harmoniques dans les réseaux électriques

S’applique à: Réseaux industriels à basse, moyenne et haute tension (International)

Quantités couvertes:

  • Harmoniques de tension et de courant
IEC 61000-3-12

Description: Limites des harmoniques de courant pour les charges avec un courant de ligne > 16 A et < 75 A

S’applique à: Réseaux publics à basse tension

Quantités couvertes:

  • Harmoniques de courant

Exigences relatives à la méthode de mesure

In order to deliver reliable results, all grid norms demand specific measurement methods from the measuring device. These methods are:

  • IEC 61000-4-30: Cette norme pourrait être considérée comme la plus importante et décrit les paramètres généraux d’un appareil de mesure de « classe A », tels que la précision, la méthode d’agrégation et les paramètres de mesure importants.
  • IEC 61000-4-15: Cette norme décrit la mesure du papillotement.
  • IEC 61000-4-7: La norme définit les procédures de mesure des harmoniques et des bandes de fréquence jusqu’à 9 kHz de la tension et du courant.

Toutes nos PQ-Box sont conformes à 100 % à ces normes et peuvent donc être utilisées pour l’évaluation de toutes les normes de qualité de l’énergie couramment utilisées dans le monde entier.

Configuration de PQ-Box

La configuration correcte de l’appareil de mesure est la tâche la plus importante avant de commencer une enquête, parce qu’il y a tellement de paramètres décrits dans les différentes normes de réseau. Afin de permettre une configuration rapide et facile avec les meilleurs résultats pour le client, le logiciel gratuit WinPQ mobil est livré avec un ensemble complet de paramètres des normes de qualité de l’énergie les plus courantes. Nos experts maintiennent en permanence les valeurs seuils. Les changements de niveaux de compatibilité sont mis à jour automatiquement.

Figure 1 : Sélection des modèles de grille dans le logiciel WinPQ mobil

Les modèles de normes de grille peuvent être téléchargés dans n’importe quelle PQ-Box, comme le montre la figure 1. Il est facilement possible de personnaliser les paramètres et de créer vos propres modèles sur la base de notre choix de paramètres.
Ainsi, vous pouvez modifier l’intervalle de mesure ou ajuster la tension nominale ou le rapport CT et VT aux valeurs requises. Alors que d’autres appareils de mesure de la qualité de l’énergie exigent que les valeurs de mesure enregistrées soient définies avant la mesure, la PQ-Box enregistre simplement toutes les mesures possibles de tension et de courant liées à la qualité de l’énergie, ainsi que les valeurs de puissance et d’énergie.
L’enregistrement des harmoniques dépend du type de réseau sélectionné (voir figure 2). Dans un système à 4 fils, les harmoniques de tension seront enregistrées en tant que valeurs ligne-neutre. Dans un système à 3 fils, les harmoniques seront enregistrées ligne à ligne. Les réseaux à moyenne et haute tension fonctionnent généralement en mode 3 fils. En basse tension, la norme est un système à 4 fils (TN-C), mais dans certaines applications industrielles, il est possible de faire face à des systèmes delta isolés. Pour l’évaluation selon la norme IEEE 519, il est possible d’activer un enregistrement supplémentaire dans un intervalle de 3 secondes en plus de l’intervalle de mesure standard.

Figure 2 : Sélection du type de réseau en basse tension pour un enregistrement correct des harmoniques

Connexion au point de mesure

Pour la connexion au point de mesure, les PQ-Box offrent une variété d’équipements de mesure du courant. Nos PQ-Box détectent automatiquement le type d’équipement et l’utilisateur n’a pas besoin de modifier les paramètres.
Pour les mesures sur le côté secondaire des TC, nous recommandons d’utiliser des pinces de courant miniatures. Le facteur de transduction du TC externe doit être réglé dans les paramètres généraux de l’appareil. Les fils de tension de la PQ-Box peuvent être connectés directement à la barre de bus (< 1000 V) ou au côté secondaire du TC à l’aide des dauphins ou des sondes de tension magnétiques fournis. L’enregistrement démarre en appuyant sur le bouton « play » de la PQ-Box ou via le logiciel WinPQ mobil.

Bobines de Rogowski (111.7001) pour la mesure du courant continu en basse tension 1…3000 A
Mini pinces (111.7015) pour la mesure sur le côté secondaire des TC en moyenne et haute tension

Évaluation des données

Les niveaux de distorsion dans les systèmes de transmission et de distribution varient en fonction de la charge sur (1) une période de 24 heures et (2) entre les jours de semaine et les week-ends. C’est pourquoi toutes les normes de qualité de l’énergie exigent une analyse statistique des données enregistrées dans des fenêtres temporelles spécifiques. L’intervalle d’évaluation le plus courant est d’au moins 7 jours ou ses multiples avec un intervalle de mesure de 10 minutes.
Les normes de réseau avec des intervalles d’agrégation plus courts, comme par exemple la norme IEEE-519, exigent une évaluation statistique quotidienne des valeurs de 3 secondes. Dans de nombreux cas, il ne sera pas possible de démarrer et d’arrêter la PQ-Box à un moment précis, il est donc judicieux de commencer la mesure un peu avant le début souhaité de la période d’investigation et d’arrêter la mesure après la fin de la période. Lors du chargement du fichier de données avec le logiciel WinPQ mobil, il est possible de sélectionner une fenêtre temporelle d’évaluation spécifique d’un jour, d’une semaine, etc.

La capture d’écran suivante de la figure 3 à gauche montre l’écran de démarrage d’une mesure d’une durée totale de 8 jours et 22 heures. En appuyant sur le bouton en bas, il est possible de sélectionner un intervalle d’exactement 7 jours. L’heure de début de l’intervalle peut être choisie librement.

Figure 3 : Capture d’écran de l’écran de démarrage

La capture d’écran de gauche montre l’écran de démarrage d’une mesure d’une durée totale de 8 jours et 22 heures. En appuyant sur le bouton en bas, il est possible de sélectionner un intervalle d’exactement 7 jours. L’heure de début de l’intervalle peut être choisie librement.
Après le chargement d’une mesure, le logiciel WinPQ offre un certain nombre d’options d’évaluation automatique des normes:

  • Générer un rapport automatique selon EN 50160, IEC 61000-2-2 ou IEC 61000-2-4
  • Générer un rapport sur les harmoniques de tension
  • Générer un rapport sur les harmoniques de courant

La fonction de rapport automatique est très utile pour l’évaluation des normes d’alimentation. En un seul clic, elle génère un rapport PDF imprimable qui évalue les paramètres de qualité de l’énergie suivants :

  • Fréquence
  • Variations de tension
  • THD
  • Harmoniques
  • Tension déséquilibrée
  • Tension de contrôle de l’ondulation

Exemples

Mesure dans une installation photovoltaïque sur un réseau basse tension

La figure 3 montre une mesure effectuée avec la PQ-Box 100 sur une installation photovoltaïque (environ 15 kW) dans une région isolée. Après l’installation de la centrale chez un agriculteur, les habitants se sont plaints à l’opérateur du réseau du vacillement des lumières. Le réseau basse tension a une tension nominale de 230 V (ligne-neutre) et est conçu comme un système TN-C. Afin de comparer la qualité de l’électricité avec la norme EN 50160, une mesure a été effectuée pendant 7 jours. Les limites de tension de cette norme sont de – 10 % (207 V) et + 10 % (253 V). Une évaluation rapide avec WinPQ mobil (Figure 3) montre la situation suivante :

  • Nombreux événements liés à la qualité de l’énergie (violations à court terme de 10 ms des limites de tension)
  • Les variations de tension sont proches de la limite
  • Valeurs de papillotement supérieures à la limite
  • Dépassement de la limite des harmoniques de tension
Figure 4 : Aperçu de tous les paramètres de qualité de l’énergie

Évaluation des harmoniques

Un examen plus approfondi des détails de l’analyse des harmoniques de tension (figure 4) montre que toutes les harmoniques significatives, telles que 5, 7, 11 et 13, sont largement inférieures à la valeur limite.

Figure 5 : Détails harmoniques sous forme de graphique

Remarque: les barres rouges et bleues représentent l’évaluation statistique de la norme. La barre rouge représente le percentile à 95 % (99 % en moyenne et haute tension) et la barre bleue la valeur maximale de toutes les valeurs analysées.

Seule l’harmonique 27 est violée et les détails (figure 5) montrent une valeur maximale de 0,31 % de la fondamentale. Les valeurs élevées du multiple de trois harmoniques sont très typiques des réseaux à basse tension et le niveau de perturbation mesuré est très peu susceptible de causer des problèmes de papillotement.

Figure 6 : Détails des harmoniques sous forme de tableau avec mise en évidence des dépassements de limites

Évaluation des variations de tension

Afin d’évaluer les niveaux élevés de variation de tension, il est judicieux d’examiner de plus près l’enregistrement permanent. En utilisant le champ de sélection à gauche, nous choisissons les valeurs Ueff (valeurs effectives de la tension), PLT (flicker à long terme de UL1, UL2, UL3) et la puissance active P totale.
Il est toujours utile de visualiser la puissance au point de mesure lors de l’analyse des variations de tension ou des problèmes de papillotement. Les valeurs de puissance permettent d’estimer si la charge est affectée par des phénomènes dans le réseau ou si la charge elle-même est à l’origine des perturbations.

Le graphique qui en résulte montre une corrélation claire entre la puissance fournie par la centrale photovoltaïque (environ – 15 kW) et l’augmentation des valeurs PLT.
Pendant la nuit, le Flicker Plt à long terme est d’environ 0,3 et augmente jusqu’à 1,4 dès que la centrale photovoltaïque fonctionne. Ce chiffre est nettement supérieur au seuil normal de 1. Le graphique montre également la raison de l’augmentation de la valeur du scintillement :
Le papillotement correspond fortement aux changements de tension. Chaque fois que la centrale photovoltaïque alimente le réseau, le niveau de tension augmente d’environ 10 V, ce qui conduit à un niveau de tension très élevé de plus de 250 V (figure 6). Les fluctuations de la production d’énergie photovoltaïque entraînent des fluctuations des niveaux de tension dans le réseau, ce qui se traduit par un scintillement des lumières.

Figure 7 : Diagramme de temps de la tension, de la puissance et du PLT

Conclusion

L’analyse de la qualité de l’énergie réalisée à l’aide de notre PQ-Box a permis de détecter les variations de tension dues à l’alimentation de l’installation photovoltaïque comme étant la source du problème. La puissance du système photovoltaïque ne dépasse pas la valeur autorisée, ce qui signifie qu’au point de connexion, le réseau est considéré comme trop faible pour absorber la puissance de la centrale photovoltaïque.
Il semble que le long câble de raccordement à basse tension (650 m) jusqu’à la maison de l’agriculteur ait une impédance trop élevée, ce qui provoque une chute de tension importante à chaque fois que l’installation fonctionne. Une solution possible serait d’améliorer le réseau en installant un câble parallèle ou une ligne de transmission de 1 kV jusqu’à la maison. En raison du coût élevé de l’amélioration du réseau, le distributeur d’énergie a décidé d’installer notre système de régulation basse tension LVRSysTM à cet endroit.
Le système de régulation utilise un transformateur en ligne commandé par thyristor afin de réguler la tension au point de connexion du client. Comme le montre la figure 7, les problèmes de stabilité de la tension ont pu être résolus grâce au LVRSysTM.

Figure 8 : Régulation de la basse tension avec LVRSysTM

Auteurs
Jürgen Blum, Chef de produit Power Quality Mobile
Ronny Steinert, Responsable international des grands comptes

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