Analyse harmonique et études de qualité de l'énergie dans le cadre d'une simulation en domaine temporel

Principaux enseignements

• • La simulation dans le domaine temporel montre comment les courants harmoniques se traduisent par une distorsion de la tension du bus dans des conditions réelles d'exploitation.

  • Les limites du modèle, l'impédance de l'alimentation, les détails de la commutation et les fenêtres d'analyse déterminent la fiabilité des résultats relatifs à la distorsion harmonique totale.

  • Les contrôles de limites spécifiques au bus permettent de faire de meilleurs choix en matière d'atténuation que le filtrage au niveau des périphériques seul.

Les analyses de fréquence facilitent le dépistage, mais elles ne permettent pas de mettre en évidence la manière dont les onduleurs, l’impédance des câbles, les transformateurs et les systèmes de contrôle interagissent au fil du temps. L’énergie solaire et le stockage par batterie ont été pris en compte à hauteur de 81 % de la nouvelle capacité de production à grande échelle en 2024 ; par conséquent, de plus en plus de lignes d'alimentation intègrent désormais des équipements de commutation qui injectent un courant non sinusoïdal. Une analyse pertinente de la qualité de l'énergie modélisera la source de commutation, le tracé de la ligne d'alimentation et le bus de mesure utilisé à des fins de conformité ou de dépannage. C'est ainsi que vous calculerez la distorsion harmonique totale dans un modèle dont les résultats correspondront à ce que les équipements connectés perçoivent réellement.

« Les études dans le domaine temporel montrent à quel moment un courant déformé se transforme en tension déformée au niveau d'un bus. »

Les études dans le domaine temporel montrent à quel moment la distorsion harmonique apparaît réellement

Les études dans le domaine temporel montrent à quel moment un courant déformé se transforme en tension déformée au niveau d'un bus. La commutation, les commandes et l'impédance de la ligne de distribution sont prises en compte dans la même simulation. Le lien de cause à effet reste visible. Il est ainsi plus facile de se fier au résultat lorsque plusieurs appareils partagent une ligne de distribution.

Prenons l'exemple d'un circuit d'alimentation comportant deux circuits d'entrée actifs et un redresseur à six impulsions. Chaque charge peut sembler acceptable prise isolément. Cependant, l'impédance de source partagée peut tout de même transformer leurs harmoniques de courant en un problème de tension sur le bus lorsque les trois éléments fonctionnent simultanément. Un balayage de fréquence permettra de repérer les points de résonance, mais il ne montrera pas comment les commandes de stabilisation et la commutation des condensateurs façonnent la forme d'onde au fil du temps.

Ce moment est important car les problèmes de qualité de l'énergie dépendent souvent de l'état du système. Le démarrage et les faibles charges peuvent générer des formes d'onde moins bonnes que celles observées en régime permanent. Une variation brusque de la sortie d'un convertisseur peut également modifier le spectre. Si vous souhaitez identifier les causes des problèmes de qualité de l'énergie sur une ligne de distribution, vous devez disposer à la fois de la séquence et du spectre.

L'impédance de l'alimentation détermine à partir de quel moment les harmoniques du convertisseur se traduisent par une distorsion de tension

L'impédance de la ligne d'alimentation détermine à quel moment un courant harmonique devient un problème de distorsion de tension. Un même convertisseur peut sembler inoffensif lorsqu'il est raccordé à une source rigide, mais poser problème lorsqu'il est raccordé à une ligne d'alimentation faible. Chaque courant harmonique provoque une chute de tension le long du réseau. C'est pourquoi l'emplacement du bus est déterminant dans l'analyse des harmoniques.

Une ligne d'alimentation courte raccordée à un grand transformateur permet généralement de mieux préserver la forme de la tension du bus qu'un long câble relié à un transformateur en amont de plus petite taille. Un banc de condensateurs situé à proximité peut également amplifier un ordre harmonique spécifique. Le courant mesuré aux bornes du convertisseur ne vous donnera pas une image complète de la situation. La question importante est de savoir ce que les moteurs, relais et charges sensibles situés à proximité perçoivent au niveau de leur propre bus.

De nombreux modèles négligent cet aspect, car le réseau en amont est réduit à une source idéale associée à une simple inductance. Cette simplification occulte l'intensité de la source et la résonance locale. Les fuites du transformateur, la capacité des câbles et les condensateurs de correction jouent tous un rôle important ici. Les limites de distorsion harmonique étant vérifiées au niveau des barrages, votre modèle de réseau doit rendre compte de la tension aux barrages, et pas seulement du courant des appareils.

Construisez le modèle autour du bus, en tenant compte des contraintes applicables

La limite correcte du modèle commence au niveau du bus où vous devez évaluer la conformité ou diagnostiquer la contrainte subie par les équipements. Les études d'harmoniques gagnent en clarté lorsque ce bus est traité en premier. Les bus voisins deviennent alors des points de mesure complémentaires. Les éléments d'alimentation qui les relient définissent le chemin de distorsion.

Une ligne d'alimentation électrique illustre bien ce phénomène. Si des dysfonctionnements proviennent d'un centre de commande des moteurs, les mesures effectuées uniquement au niveau de l'entrée du réseau ne permettront pas de détecter la distorsion générée en aval du transformateur. Un micro-réseau de campus peut présenter le même problème. L'interface avec le réseau public peut sembler normale, alors qu'une longue ligne secondaire présente une distorsion harmonique totale élevée lorsque le convertisseur est soumis à une forte charge.

• Choisissez le bus pour lequel ces restrictions ou réclamations s'appliquent effectivement.
• Prendre en compte la puissance d'alimentation provenant du réseau en amont et les données relatives au transformateur.
• Représentez les segments d'alimentation qui introduisent une impédance significative entre les bus.
• Ajoutez des batteries de condensateurs ou des filtres à proximité de l'emplacement surveillé.
• Exécutez les états de fonctionnement qui sollicitent le plus ce bus

Cette structure permet de maintenir la study sur le sujet. Vous ne construisez pas l'ensemble du système dans un souci d'exhaustivité. Vous construisez une partie suffisante du système pour expliquer la forme d'onde sur le bus qui importe. Cette rigueur permet également de cibler les mesures d'atténuation sur l'endroit approprié.

Modélisez chaque charge non linéaire en tenant compte des détails de commutation pertinents

Les charges non linéaires nécessitent un niveau de détail suffisant au niveau de la commutation pour reproduire la forme du courant à l'origine de la distorsion sur le circuit d'alimentation. Il n'est pas nécessaire d'avoir le même niveau de détail pour chaque appareil. Il faut toutefois que chaque source principale soit représentée à un niveau suffisant pour influencer l'injection de courants harmoniques. Ce choix détermine la qualité du spectre final.

Les systèmes à moteur électrique représentent environ 45 % de la consommation mondiale d’électricité, et bon nombre d’entre eux utilisent désormais des variateurs électroniques de puissance qui modifient les formes d’onde du courant plutôt que de prélever un courant sinusoïdal régulier. Un redresseur à six impulsions destiné à un variateur à courant continu ne doit pas être réduit à un simple dissipateur de puissance statique si l’on étudie la distorsion du courant. Un onduleur à modulation d’impulsions (PWM) couplé à un filtre et à une boucle de régulation nécessite également plus qu’une source moyenne lorsque l’on s’intéresse à l’interaction avec le réseau d’alimentation. Le modèle doit préserver les caractéristiques de la forme d’onde qui déterminent le contenu harmonique.

SPS SOFTWARE répond à ce besoin lorsque vous avez besoin de modèles de convertisseurs et de réseaux transparents que vous pouvez examiner et ajuster. Cela s'avère particulièrement important sur les lignes d'alimentation mixtes comportant plusieurs charges non linéaires. Un dispositif peut être modélisé en utilisant une moyenne pour le flux de puissance, tandis qu'un autre nécessite une commutation explicite pour reproduire la distorsion qui façonne la tension du bus. L'objectif utile est d'obtenir le niveau de détail adéquat là où la distorsion commence.

Choisissez une fréquence d'échantillonnage permettant de reproduire correctement l'ondulation du convertisseur

La durée d'échantillonnage doit être suffisamment courte pour permettre de distinguer l'ondulation de commutation et les caractéristiques de commutation à l'origine des harmoniques. Un pas trop large lissera la forme d'onde avant même le début de l'analyse. Cette erreur se répercutera directement sur le spectre. La distorsion harmonique totale sera alors faussée dès le départ.

Unconvertisseur fonctionnant à 5 kHz ne peut pas être représenté correctement par un pas de temps qui n'échantillonne que très partiellement chaque cycle. Un redresseur à commutation en ligne présente des exigences différentes, car la distorsion est principalement due au chevauchement et aux creux de courant. Votre pas de temps doit correspondre à l'événement le plus rapide qui influence le bus de mesure. La fréquence fondamentale du réseau ne suffit pas à elle seule pour déterminer ce choix.

De bonnes pratiques d'échantillonnage permettent de gagner du temps par la suite. Une étape incorrecte peut donner l'impression que tous les graphiques suivants sont précis, alors qu'ils comportent en réalité la même erreur. Les études harmoniques sont intransigeantes sur ce point. La configuration du solveur doit s'inscrire dans le cadre de l'étude électrique, et non en dehors.

Lancez des fenêtres d'état stationnaire suffisamment longtemps pour obtenir des spectres nets.

Les fenêtres d'analyse en régime permanent doivent exclure la phase de démarrage et inclure suffisamment de cycles en régime permanent pour obtenir un spectre net. Les harmoniques sont mesurées à partir d'un enregistrement temporel sélectionné. La durée et le positionnement de l'enregistrement influencent directement le résultat. Une fenêtre mal choisie faussera un bon modèle.

Une erreur courante consiste à enregistrer les premiers cycles suivant l'atteinte de la tension de référence par le convertisseur, puis à envoyer directement cette forme d'onde vers une FFT. Les boucles de régulation peuvent encore être en phase de stabilisation. La tension du circuit intermédiaire peut encore subir des dérives. Une meilleure méthode consiste à laisser le système se stabiliser complètement, puis à extraire un nombre entier de cycles du réseau à partir de la tension du bus et du courant du dispositif qui sont pertinents.

La longueur de la fenêtre dépend également de ce que vous souhaitez observer. Les enregistrements courts sont utiles pour une analyse rapide, mais ils brouillent les composants très proches les uns des autres et masquent les effets de modulation lents. Les enregistrements plus longs offrent des intervalles harmoniques plus nets et des résultats plus stables. Si le spectre se déplace lorsque vous faites glisser la fenêtre temporelle, cela signifie que le système n'était pas stabilisé ou que l'enregistrement était trop court.

Calculer la distorsion harmonique totale à partir des formes d'onde de tension ou de courant

La distorsion harmonique totale est calculée à partir d'une forme d'onde stabilisée, après extraction des composantes harmoniques efficaces. Le calcul standard consiste à déterminer la racine carrée de la somme des carrés de toutes les composantes harmoniques supérieures à la fondamentale. Cette valeur est ensuite divisée par la valeur efficace de la fondamentale. Le résultat est ensuite multiplié par 100 %.

La distorsion harmonique totale de tension et la distorsion harmonique totale de courant répondent à des questions différentes. La distorsion de tension indique ce que les équipements raccordés perçoivent au niveau d'un bus. La distorsion de courant indique ce qu'un convertisseur ou une charge non linéaire injecte dans le réseau. Un variateur en amont peut présenter une distorsion de courant élevée alors que la tension d'alimentation reste acceptable sur un réseau rigide, puis faire dépasser la limite de tension du bus sur une ligne de distribution fragile.

Vous obtiendrez de meilleurs résultats si vous précisez exactement comment ce chiffre a été obtenu. Indiquez le bus de mesure, l'état de fonctionnement, la longueur d'enregistrement et la gamme d'harmoniques utilisée dans le calcul. Certaines études nécessitent également les amplitudes individuelles des harmoniques, car un ordre problématique peut provoquer une résonance ou surchauffer une branche de filtre. 

« Le chiffre est important, mais la forme d'onde qui se cache derrière l'est tout autant. »

Vérifiez les limites harmoniques ligne par ligne avant de choisir les mesures correctives

Il convient de vérifier les limites de distorsion harmonique sur chaque barrage concerné avant de choisir une méthode d'atténuation. Cette approche permet de distinguer le courant injecté inoffensif de la distorsion nuisible de la tension du barrage. Elle permet également de centrer l'étude sur l'emplacement pertinent. Pour trouver de bonnes solutions, il faut commencer par identifier le bon barrage et le bon état de fonctionnement.

Un point de couplage commun du réseau public, un bus principal d’installation et un bus secondaire sensible peuvent tous présenter des résultats différents dans les mêmes conditions de charge. Un bus peut respecter les limites de tension tandis qu’un autre les dépasse, car l’impédance locale et l’emplacement des condensateurs varient. C’est pourquoi les limites de distorsion harmonique et la manière de les vérifier dépendent toujours de l’emplacement, de l’état de fonctionnement et de la méthode de mesure. Vous évaluez la réponse du réseau là où les équipements la perçoivent réellement.

Un travail minutieux dans le domaine temporel aboutit généralement à une réponse plus fiable qu’une analyse sommaire. On identifie ainsi quelle source est dominante, quel bus est concerné et quel état de fonctionnement déclenche le problème. SPS SOFTWARE trouve toute sa place dans cette dernière étape, car ses modèles transparents d’alimentations et de convertisseurs facilitent le test d’un filtre, le déplacement d’un banc de condensateurs ou la révision des paramètres de contrôle en toute confiance. Une bonne analyse de la qualité de l’énergie repose sur une modélisation rigoureuse suivie de vérifications spécifiques à chaque bus.