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

A. Eberle, PFIFFNER Messwandler & TenneT

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.

Figure 1 : Aperçu des marges harmoniques en pu pertinentes pour l’évaluation par rapport à l’année de référence 2017

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.

Figure 2 : Réponse en fréquence d’un transformateur de courant
Figure 3 : Réponse en fréquence d’un transformateur de tension

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.

Figure 4 : Schéma équivalent simple d’un diviseur RC

FunFonctionnement des diviseurs RC (Resitive Capacitive Voltage Dividers)

Les diviseurs de tension résistifs-capacitifs, en abrégé diviseurs RC, sont constitués d’un réseau d’éléments RC connectés en série. Dans ce cas, la tension est répartie uniformément le long de l’isolateur par les composants R1 et C1, ce qui conduit à une répartition linéaire de la tension.

La question se pose de savoir si un diviseur capacitif pur (diviseur C) ou un diviseur résistif pur (diviseur R) ne seraient pas suffisants ?

Avec l’intention de pouvoir effectuer une mesure à très large bande, ni l’un ni l’autre diviseur « simple » ne sont vraiment adaptés. Un diviseur C ne permet pas de mesurer une tension continue et le diviseur R peut présenter une grande imprécision pour les signaux de tension alternative en raison des capacités parasites de dispersion de la terre CE, qui dépendent de la taille de l’appareil. La combinaison sous forme de diviseur RC est donc parfaitement adaptée à une utilisation pour mesurer aussi bien les tensions continues et alternatives que les tensions mixtes.

En raison des propriétés électriques déjà expliquées, les diviseurs RC conviennent aux domaines d’application les plus divers :

  • Mesure du décalage DC dans le réseau AC
  • mesure de ferrorésonances ou de composantes subharmoniques dans le réseau
  • mesure de fréquences harmoniques (surveillance PQ)
  • Mesure de courbes de tension transitoires

D’autres domaines d’application sont:

  • Points critiques de ferrorésonance dans le réseau
  • Situations avec des charges de tension élevées et transitoires et des valeurs du/dt abruptes
  • Réseaux à fortes variations de fréquence en remplacement des transformateurs de tension capacitifs
  • Alternative aux transformateurs de tension capacitifs pour la décharge des lignes, mais avec des temps de décharge longs par rapport aux transformateurs de tension inductifs

Le développement des normes applicables – par exemple la norme DIN EN 61000-2-2 – en direction d’une plage de mesure allant jusqu’à 150 kHz va encore renforcer les exigences futures envers les instruments de mesure. Les diviseurs RC peuvent déjà bien répondre à cette exigence, car ils peuvent couvrir une plage de mesure allant jusqu’à 170 kHz et plus en combinaison avec des appareils de mesure appropriés, dont l’impédance d’entrée est par exemple de 10 MOhm. En outre, des extensions supplémentaires de la gamme de fréquences ainsi que de nouvelles tâches de mesure sont attendues, ou sont déjà en phase pilote.

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.

Figure 5 : Diviseur RC mobile pour la mesure temporaire de la Power Quality dans la sous-station d’Unterweser
Figure 6 : PQI-DA smart et PQI-DE (tous deux des appareils de mesure de « classe A » de A. Eberle) 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.

Figure 7 : Diviseur RC stationnaire pour la mesure continue de la qualité de la puissance avec PQI-DA smart

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.

Figure 8 : Mesure de la qualité de l’énergie à haute fréquence entre 2 et 9 kHz avec le système de mesure composé d’un diviseur RC et d’un PQI-DA smart.

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.

Brève présentation des entreprises participantes

A. Eberle GmbH & Co. KG

La société A. Eberle GmbH & Co. KG s’est établie depuis sa création en 1980 comme fournisseur de premier choix dans le domaine de la technique énergétique électrique, en particulier dans la technique de mesure et de régulation. Les produits fabriqués sont utilisés à tous les niveaux de tension par les fournisseurs d’énergie, les opérateurs de réseau et l’industrie.
Le portefeuille de produits d’A. Eberle comprend la régulation de la tension des transformateurs à l’aide de commutateurs à gradins, la régulation rapide de la tension dans le réseau basse tension, la régulation des bobines de Petersen et la localisation des défauts de terre qui y est liée, ainsi que la détection mobile et fixe de la qualité de la tension avec écriture des perturbations et son évaluation.
A. Eberle a réagi très tôt, il y a quelques années déjà, aux exigences expliquées en matière de technique de mesure. Tous les appareils Power Quality sont conçus pour pouvoir mesurer le domaine des supraharmoniques, afin de pouvoir répondre dès aujourd’hui aux exigences de demain.

PFIFFNER Messwandler AG

PFIFFNER Messwandler est une entreprise familiale de taille moyenne située à Hirschthal, en Suisse. Avec environ 200 collaborateurs, PFIFFNER Messwandler développe, produit et commercialise des transformateurs de mesure de basse à haute tension pour le monde entier.
En tant que PFIFFNER International avec les marques PFIFFNER, MOSER GLASER, HAEFELY et ALPHA-ET, ils sont présents depuis de nombreuses années en tant que groupe d’entreprises sur le marché de la technique énergétique et des chemins de fer électriques, et depuis 2021 également avec HAVECO dans le domaine de la construction de réseaux et d’installations.
Le groupe, qui emploie environ 900 personnes, compte huit sites de production, dont quatre en Suisse et les autres en Allemagne, en Turquie, au Brésil et en Inde.

TenneT TSO GmbH

TenneT est responsable de l’exploitation, de l’entretien et de l’extension du réseau à très haute tension dans une grande partie de l’Allemagne et des Pays-Bas. Nous sommes ainsi le premier gestionnaire de réseau de transport transfrontalier d’électricité en Europe.
Nous raccordons des centrales électriques au réseau et assurons un approvisionnement en électricité fiable et sûr – 24 heures sur 24, 365 jours par an. En tant que premier gestionnaire de réseau de transport transfrontalier, nous planifions, construisons et exploitons un réseau haute et très haute tension de près de 24 500 km aux Pays-Bas et dans une grande partie de l’Allemagne, et rendons possible le marché européen de l’énergie grâce à nos 16 interconnexions avec les pays voisins.
Avec un chiffre d’affaires de 6,4 milliards d’euros et un bilan total de 32 milliards d’euros, nous sommes l’un des plus grands investisseurs dans les réseaux électriques nationaux et internationaux, sur terre et en mer. Chaque jour, plus de 6 500 collaborateurs donnent le meilleur d’eux-mêmes et veillent, dans l’esprit de nos valeurs de responsabilité, de courage et d’interconnexion, à ce que plus de 42 millions de consommateurs finaux puissent compter sur un approvisionnement stable en électricité.

Auteurs

Tobias Engelbrecht, technologue FACTS et Power Quality, Asset Management Power Electronics Systems, TenneT TSO GmbH
Raphael Wyder, Direction Technique & Distribution, A. Eberle Schweiz AG / ancien responsable Business Unit PFIFFNER Messwandler AG
Till Sybel, membres de la direction Technique & Distribution A. Eberle GmbH & Co. KG

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