Principaux enseignements
- La résonance harmonique est un problème d'impédance du réseau ; par conséquent, les limites harmoniques au niveau des appareils ne suffisent jamais à elles seules.
- Les analyses de fréquence permettent de déterminer les points sensibles du réseau, tandis que les vérifications dans le domaine temporel indiquent quels événements de commutation ou de commande sont susceptibles de déclencher cette sensibilité.
- Une modélisation minutieuse des détails au niveau des lignes peu fréquentées contribuera davantage à la qualité de l'étude que des hypothèses générales portant sur l'ensemble du réseau.
Les études de résonance harmonique vous permettront d'identifier les points du réseau où les distorsions sont amplifiées, avant qu'un simple ajout d'équipement ne transforme une source d'harmoniques mineure en un grave problème de tension.
Les services publics et les ingénieurs d'usine continuent d'ajouter des systèmes de production à convertisseurs, des variateurs et des dispositifs de compensation réactive, car le réseau a besoin d'une tension stable et d'un flux de puissance efficace. Le risque de résonance augmente avec cette configuration, car chaque filtre, câble, transformateur et condensateur modifie l'impédance du réseau perçue par les courants harmoniques. Les ajouts de capacité renouvelable ont atteint près de 560 GW en 2023, soit une hausse de 64 % par rapport à 2022, ce qui illustre la rapidité avec laquelle les équipements à onduleurs sont intégrés aux réseaux électriques. Un plan d’étude combinant des analyses de fréquence et des contrôles dans le domaine temporel vous permettra d’identifier les points de résonance avant que les performances d’isolation, de protection ou de contrôle des équipements ne soient affectées.
La résonance harmonique se produit lorsque l'impédance du réseau atteint un pic important.
La résonance harmonique se produit lorsque des éléments inductifs et capacitifs s'alignent sur une fréquence à laquelle l'impédance du réseau augmente brusquement, de sorte qu'un faible courant harmonique génère une distorsion de tension bien plus importante. Ce phénomène se traduit par une amplification de certaines fréquences, et cette distinction est importante lors de l'évaluation des risques.
Une ligne d'alimentation de 13,8 kV équipée d'un banc de condensateurs, d'une réactance de fuite de transformateur et de plusieurs câbles longs peut entrer en résonance près de la 5e ou de la 7e harmonique. Un courant modeste provenant d'un variateur de vitesse ou d'un onduleur solaire produira alors une distorsion de la tension du bus qui semblera disproportionnée par rapport à la source. Les opérateurs ont souvent tendance à imputer la responsabilité uniquement à l'appareil le plus proche, alors que c'est l'impédance du réseau qui assure l'essentiel de l'amplification. Votre étude doit se concentrer sur la configuration globale du réseau et sur la source qui l'excite.
Cette approche vous évitera de vous lancer dans des solutions inadaptées. Remplacer un régulateur d’onduleur ou resserrer une limite de distorsion ne résoudra pas un problème de résonance lié à la capacité du circuit d’alimentation et à la puissance de la source. Vous devez déterminer la fréquence de résonance, le pic d’impédance et l’emplacement du bus où la réponse est la plus défavorable. Une fois ces éléments connus, la résolution du problème devient un exercice d’ingénierie plutôt qu’une succession d’essais et d’erreurs.
Les onduleurs modifient les points de résonance grâce à la conception des filtres de commande
Les onduleurs modifient les points de résonance car leurs filtres, les raccordements de leurs transformateurs, la longueur de leurs câbles et leurs boucles de régulation altèrent l'impédance du réseau, qui dépend de la fréquence. Un bus qui semblait ne présenter aucun risque avant l'extension d'une centrale entrera en résonance une fois que les équipements ajoutés auront modifié cette carte d'impédance, même si chaque onduleur respecte toujours ses limites harmoniques individuelles.
L'énergie solaire, le stockage et l'éolien représentaient 95 % des 2 600 GW en attente dans les files d'attente de raccordement aux États-Unis à la fin de l'année 2023. Cette ampleur est importante, car les projets en attente ajoutent davantage de convertisseurs, de câbles collecteurs et d'équipements réactifs au même réseau. L'extension d'une centrale de 100 MW ajoute souvent une capacité de filtrage suffisante pour faire passer une résonance existante d'un ordre harmonique à un autre. Votre étude devrait considérer chaque ajout d’onduleur de grande puissance comme une modification du réseau, et non comme un simple remplacement.
Les commandes ajoutent une couche supplémentaire. Un onduleur à suivi de réseau équipé d’un filtre LCL interagira différemment d’une installation utilisant des valeurs d’amortissement différentes ou une bande passante de boucle à verrouillage de phase différente. Deux sites construits à partir de schémas unifilaires similaires peuvent produire des résultats d’analyse très différents une fois ces paramètres pris en compte. C’est pourquoi les blocs d’onduleurs génériques simplifiés omettent souvent les fréquences qui apparaissent par la suite lors de la mise en service.
Les batteries de condensateurs peuvent amplifier la distorsion à certaines fréquences
Les batteries de condensateurs amplifient la distorsion lorsque leur réactance s'ajoute à l'inductance du réseau à une fréquence proche de celle des harmoniques présentes. La batterie elle-même n'est pas à l'origine des harmoniques, mais elle peut créer les conditions qui transforment une injection de courant tolérable en une tension de barre nuisible, en un déclenchement intempestif des relais ou en une sollicitation répétée des condensateurs.
Un poste de 34,5 kV équipé de batteries de condensateurs commutés peut présenter un comportement très différent avant et après la mise en circuit d’une batterie. La tension du bus peut rester dans les limites à la fréquence fondamentale, tandis que la 7e harmonique augmente fortement après l’étape de commutation. Les ingénieurs constatent parfois ce phénomène de distorsion et en déduisent un défaut de commande au niveau de l’onduleur le plus proche. L’explication la plus plausible est souvent un décalage de la résonance parallèle provoqué par la batterie.
C'est pourquoi les études sur les condensateurs ne se limitent pas au dimensionnement en kvar. Le désaccord des réacteurs, l'emplacement des batteries de condensateurs et la séquence de commutation ont tous une incidence sur la position du pic. Les installations industrielles équipées d'un système de correction du facteur de puissance sont confrontées au même problème que les systèmes de collecte d'énergie renouvelable, en particulier lorsque des harmoniques de fond sont déjà présentes en amont. Vous obtiendrez de meilleurs résultats si la planification des condensateurs et les études sur les harmoniques sont menées conjointement, plutôt que dans le cadre d'analyses distinctes.
Les analyses de fréquence permettent de déterminer où de petites sources génèrent des tensions élevées
« Un balayage de fréquence permet de représenter l'impédance du système en fonction de la fréquence, et les pics indiquent à quel endroit un courant harmonique modeste entraînera une forte réponse en tension. »
C'est le moyen le plus rapide de détecter les risques de résonance avant la mise en service, car il indique à la fois la fréquence de résonance et le bus sur lequel le réseau est le plus sensible.
Une étude d'interconnexion de centrales électriques porte souvent sur la zone comprise entre le point de couplage commun et les bornes des onduleurs ainsi que les barrages auxiliaires. Un barrage peut présenter une réponse modérée à la 5e harmonique, tandis qu'un barrage collecteur affiche un pic prononcé près de la 11e. Ce contraste permet de déterminer où placer les filtres, où modifier les réglages des condensateurs ou encore où il est nécessaire d'affiner le modèle. Une analyse permet également de déterminer si la mise en place d'un nouveau tracé de câble déplace le pic de manière suffisamment significative pour avoir une incidence.
| Modèle de balayage | Lectures pratiques |
| Un pic haut et étroit apparaît aux alentours de la 5e ou de la 7e harmonique. | Un faible courant à cette fréquence provoquera une forte augmentation de tension. |
| Un pic n'apparaît que lorsque le banc de condensateurs est en circuit. | L'état de commutation détermine le point de résonance et nécessite un boîtier spécifique. |
| Plusieurs pics voisins apparaissent sur les harmoniques supérieures. | La capacité des câbles, les filtres ou les caractéristiques du convertisseur influencent la réponse. |
| Le bus de service semble calme, tandis que le bus interne présente des pics. | Une résonance locale se produit à l'intérieur de l'installation et les mesures effectuées à l'extérieur ne permettront pas de la détecter. |
| Un pic se déplace lorsqu'un nouveau bloc d'alimentation ou d'onduleur est ajouté. | La modification du réseau a suffisamment modifié l'impédance pour qu'il soit nécessaire de réexaminer les mesures d'atténuation. |
Des études dans le domaine temporel confirment la présence d'une résonance lors des événements de commutation
Les études dans le domaine temporel permettent de tester la résonance lors d'événements de commutation et de commande qu'un balayage ne peut pas mettre en évidence à lui seul. Elles permettent de vérifier si un point de résonance génère effectivement des surtensions nuisibles, un oscillation prolongée ou une contrainte de courant lorsqu'un condensateur se ferme, qu'un onduleur monte en puissance ou qu'un défaut est éliminé.
Un événement d'excitation d'un condensateur au niveau d'un bus faible peut exciter une fréquence de résonance pendant plusieurs cycles, même lorsque l'injection d'harmoniques en régime permanent semble faible. Une séquence de déclenchement et de réenclenchement d'un onduleur peut produire le même effet si les commandes du circuit intermédiaire en courant continu et la commande réactive au niveau de l'installation se réactivent avec un timing inadapté. Le logiciel SPS SOFTWARE s’avère utile dans ce contexte, car il permet d’associer un balayage de fréquence à un modèle transparent dans le domaine temporel et de tester le même réseau lors d’événements de commutation. C’est ce lien entre les résultats du balayage et la réponse des formes d’onde qui transforme les soupçons en preuves.
Cette étape est importante car tous les pics détectés lors d’un balayage ne se traduisent pas nécessairement par un problème d’exploitation. Certains pics se situent à proximité de fréquences sans source significative, tandis que d’autres coïncident avec des schémas de commutation, des bandes latérales de convertisseurs ou des distorsions de fond déjà présentes sur la ligne d’alimentation. Vous serez en mesure de prendre de meilleures décisions en matière d’atténuation lorsque vous connaîtrez l’événement à l’origine de la résonance, la durée de la réponse et les équipements soumis aux contraintes les plus élevées. Ces informations aident également les équipes de protection et d’exploitation à s’accorder sur les paramètres et les règles de commutation.
Les détails du modèle déterminent quels pics de résonance apparaissent
Les détails du modèle déterminent les pics de résonance que vous obtiendrez, car la résonance est définie par l'inductance, la capacité, la résistance et les commandes réelles présentes dans le réseau. Une étude qui regroupe les câbles, omet les données relatives aux enroulements des transformateurs ou traite les filtres comme des blocs génériques déplacera ou effacera les pics existant sur le site.
Un réseau de collecte composé de plusieurs segments de câble de 2 km se comporte différemment d’une même installation modélisée comme une ligne équivalente unique. Chaque segment ajoute une capacité distribuée et modifie l’impédance locale vue depuis les nœuds voisins. La mise à la terre du transformateur, le raccordement des enroulements et la capacité parasite influent également sur la réponse en séquence zéro et en haute fréquence. Ces détails sont fastidieux, mais les données manquantes nuiront généralement davantage à l’étude qu’une estimation imparfaite de la charge.
Il n’est pas nécessaire d’atteindre une complexité infinie. Il suffit d’obtenir une fidélité suffisante aux fréquences concernées et au niveau des bus où la distorsion sera mesurée ou où les équipements se déclencheront. Un bon logiciel d’analyse harmonique est particulièrement utile lorsque le modèle présente clairement ses hypothèses, ce qui permet aux ingénieurs de modifier les paramètres, de relancer des simulations et de comprendre pourquoi un pic se déplace à la suite d’une modification de conception. Cette approche est plus utile qu’une « boîte noire » fermée qui fournit un graphique sans révéler les principes physiques du réseau.
Analysez les bus les plus fragiles avant d'ajouter de nouveaux périphériques
Ce sont les bus les plus fragiles qui méritent d'être examinés en priorité, car ils combinent une faible résistance aux courts-circuits et des équipements qui modifient l'impédance. Ce sont ces bus sur lesquels l'ajout d'onduleurs, de batteries de condensateurs ou de longues longueurs de câble entraînera les plus fortes variations de résonance, et sur lesquels les mesures d'atténuation auront l'impact le plus important sur l'ensemble du système.
Un plan d'étude s'avère plus efficace lorsque l'on hiérarchise les barrages avant de modéliser chaque coin de la grille. Un point de couplage commun peut sembler être la première cible évidente, mais l'emplacement le plus sensible est souvent un barrage collecteur, un barrage auxiliaire moyenne tension ou une borne de banc de condensateurs. Une alimentation industrielle peut rester stable au niveau de l'interface avec le réseau public, tandis qu'un barrage de commande de moteur subit une forte amplification locale. Voici les endroits que la plupart des équipes devraient vérifier en premier :
- Le bus collecteur qui relie de nombreux blocs d'onduleurs au moyen de longs câbles doit faire l'objet d'une vérification précoce.
- Le bus auquel est raccordé un banc de condensateurs commutés ou un filtre nécessite des boîtiers de fonctionnement distincts.
- L'alimentation la plus faible, identifiée par le rapport de court-circuit le plus bas, devrait figurer parmi les premières du classement.
- Le côté basse tension d'un transformateur alimentant des circuits électroniques de puissance denses recèle souvent des pics locaux.
- L'extrémité distante d'un long câble soumis à une faible charge locale peut présenter de fortes variations d'impédance.
Ce classement vous fera gagner du temps et améliorera la première itération de votre modèle. Il vous évitera également de passer des jours à peaufiner des bus qui ne peuvent ni exciter ni amplifier les fréquences qui vous intéressent. Une fois que vous aurez cerné les bus à haut risque, vous pourrez élargir l'ensemble de tests et évaluer les scénarios de contingence de manière beaucoup plus ciblée. Votre plan d'atténuation reflétera alors les véritables points faibles, plutôt que le simple emplacement d'une ligne isolée.
Les erreurs courantes de modélisation masquent la résonance jusqu'à ce que l'équipement se déclenche
Les erreurs courantes de modélisation masquent la résonance, car elles aplatissent la courbe d'impédance ou placent des pics à une fréquence erronée. Les causes les plus fréquentes sont les câbles équivalents, les états de condensateurs manquants, les filtres d'onduleur génériques, les données obsolètes provenant des réseaux électriques, ainsi que les cas où la simulation s'arrête à un balayage sans vérifier l'événement de fonctionnement à l'origine du pic.
Un site peut passer avec succès une étude préliminaire et pourtant déclencher la protection par condensateur après mise sous tension, car le modèle utilisé s'est basé sur une puissance nominale de la source et n'a pas pris en compte une autre configuration de l'alimentation. À l'inverse, un autre site peut sembler dangereux sur le papier jusqu'à ce que l'ingénieur ajoute la résistance d'amortissement qui était présente dans le banc de filtres réel.
« Un bon traitement harmonique dépend moins des fonctionnalités logicielles que de la rigueur dans la modélisation, car omettre une section de câble ou mal régler un filtre peut faire disparaître précisément le pic qui provoquera plus tard le déclenchement des équipements. »
Comme vous évaluez un système physique, le modèle doit rester fidèle à ce système physique.
C'est la norme que vous devriez appliquer à chaque étude de résonance harmonique. Un processus de travail rigoureux associe des analyses de fréquence à des vérifications dans le domaine temporel, met à jour le modèle après chaque révision de conception et teste les bus les plus susceptibles d'amplifier la distorsion. Le logiciel SPS SOFTWARE s'inscrit parfaitement dans ce processus, car il prend en charge une modélisation transparente et permet aux ingénieurs de vérifier les risques de résonance avant que les équipements ne soient exposés à des contraintes évitables. Une exécution minutieuse sera toujours préférable aux conjectures lorsque les points de résonance se déplacent à chaque fois qu'un réseau ajoute de nouveaux onduleurs ou des batteries de condensateurs.
