Toute batterie avec filtres est-elle valable pour compenser une réactive dans des réseaux avec harmoniques ?

La réponse à cette question nécessite un bref rappel du principe de fonctionnement des filtres de rejet. Si nous observons le graphique impédance-fréquence d’une série réactance-condensateur définie avec p= 7 % (Fig. 1), nous voyons qu’elle offre l’impédance la plus basse à 189 Hz et que l’impédance augmente progressivement de part et d’autre, avec la particularité que l’impédance est capacitive à des fréquences inférieures à 189 Hz, et de nature inductive à des fréquences plus élevées.

"C'est précisément ce caractère inductif face aux fréquences harmoniques d'ordre 5 ou supérieur qui évite la possibilité qu'un phénomène de résonance se produise à l'une de ces fréquences."

 

Mais la valeur de cette impédance aux différentes fréquences harmoniques, ainsi que la valeur de l'impédance de court-circuit au point de connexion de la batterie au réseau (Xcc en CCP) constituent également un paramètre clé pour le bon fonctionnement du filtre de rejet.

Fig. 1 Réponse en fréquence d'un filtre de rejet avec p= 7 % (189 Hz)

Dans un réseau équipé d’un filtre de rejet, avec un schéma unifilaire et un schéma équivalent, comme indiqué dans la Fig. 2, il est habituel que l'impédance de court-circuit (Xcc) au point de connexion de la batterie au réseau (CCP) soit nettement inférieure à l'impédance de chaque échelon de la batterie de condensateurs, de sorte que l'absorption par chaque échelon des courants harmoniques circulant dans le réseau doit être relativement faible par rapport à celle qui circule vers le réseau, car c’est le chemin de moindre impédance.

Mais la situation peut changer dans le cas de réseaux où la valeur Xcc est élevée, c'est-à-dire dans les réseaux où la puissance de court-circuit (Scc) dans le CCP est faible. Ce type de réseaux est également appelé réseau virtuel.

Fig. 2 Schéma unifilaire et schéma équivalent d’une installation équipée d’un filtre de rejet

Les installations susceptibles de subir cette situation sont celles où la puissance de court-circuit dans le réseau de distribution haute tension est faible au point de couplage du réseau basse tension, ou celles qui sont alimentées par un transformateur de puissance avec une valeur de facteur K (facteur de surcharge harmonique) qui ne convient pas, par défaut, au contenu harmonique des charges qu’il alimente, ou lorsqu'il existe de longs tronçons de câbles entre la sortie du transformateur et le CCP de la batterie au réseau, ce qui implique une haute impédance dans ladite section.

Dans ces cas, l’effet le plus courant est l’augmentation des courants harmoniques absorbés par les échelons de la batterie de condensateurs. Cette augmentation peut être dans certains cas très importante, surchargeant sévèrement les condensateurs et les réactances constituant chaque filtre de rejet, et accélérant, notamment dans le cas des condensateurs, leur détérioration qui se traduit généralement par une diminution de leur capacité. Cette diminution de capacité augmente même l’absorption de courants harmoniques puisque, comme on peut le déduire de la formule qui détermine la fréquence de résonance (Fig. 1), une diminution de capacité implique une augmentation de la fréquence de syntonisation, de sorte qu'elle est encore plus proche des fréquences harmoniques présentes dans le réseau (rappelez-vous que c'est généralement celle d'ordre 5 qui prédomine), réduisant ainsi l'impédance. à ladite fréquence et, par conséquent, augmentant la consommation en courant dudit ordre.

En d'autres termes, le filtre désyntonisé a un comportement plus proche de celui d'un filtre syntonisé ou d'un filtre d'absorption, mais comme il n'a pas été conçu pour un tel usage, sa capacité est dépassée, ce qui entraîne sa détérioration.

De plus, les réseaux avec de faibles valeurs de Scc tendent à présenter, dans le cas d'une forte circulation de courants harmoniques, des niveaux élevés de distorsion harmonique (THD (U)), ce qui suppose un élément de plus qui contribue à l’augmentation du courant harmonique absorbé par les condensateurs.

En bref, une solution adoptée pour empêcher que l’installation d’une batterie de condensateurs n'affecte le réseau et que cette dernière ne soit à son tour affectée par l’existence d’harmoniques dans le réseau, peut ne pas fournir les résultats escomptés, avec la problématique tant au niveau technique que commercial que cela entraînera sans aucun doute.

Quelle option pouvons-nous envisager au moment de proposer une compensation de réactive au moyen d’une batterie avec filtres de rejet dans ce type d’installation ?

Le premier point serait évidemment de déterminer si l'installation à compenser peut ou non être du type exposé, c'est-à-dire, un réseau virtuel. Malheureusement, il n’existe pas de méthode simple et infaillible pour le faire, mais il existe une série de conditions qui peuvent nous aider à le déterminer avec un degré de réussite assez élevé. Les principales sont celles énumérées ci-dessous :

• Il y a une diminution notable de la valeur de la tension entre les conditions de vide (sans charge) et de pleine charge, et le niveau de distorsion harmonique en courant (THD (I)) est supérieur à 15 % en condition de pleine charge.
• Le niveau de distorsion harmonique en tension (THD (U)), au point où la batterie de condensateurs sera connectée, a une valeur supérieure à 3 % dans les conditions de vide de l'installation.
• Le niveau de distorsion harmonique en tension (THD (U)), au point où la batterie de condensateurs sera connectée, a une valeur supérieure à 6 % dans des conditions de charge normale de l'installation.

Dans le cas où une ou plusieurs des situations ci-dessus sont rencontrées, il est vivement conseillé de prescrire une batterie de condensateurs équipée de filtres de rejet avec une syntonisation différente de celle standard de 189 Hz (toujours, bien entendu, en supposant que les harmoniques présents dans le réseau sont d’ordre 5 ou supérieur).

Quelle syntonisation est alors conseillée ?

CIRCUTOR propose pour ces cas une syntonisation d'une valeur de 170 Hz, correspondant à p= 8,7 %, qui confère un haut niveau de protection à la batterie de condensateurs installée dans des réseaux du type susmentionné.

Qu'obtenons-nous avec ce changement de syntonisation ?

En reprenant le graphique de la réponse en fréquence d’un filtre de rejet (Fig. 1), il est observé qu'en diminuant la fréquence de résonance, l'impédance que le filtre présente aux harmoniques d'ordre 5 ou supérieur est augmentée, nous réduisons donc considérablement la possibilité d'une consommation élevée desdits courants harmoniques. De plus, ce changement de syntonisation s'accompagne de l'utilisation de condensateurs de tension nominale supérieure à celle de ceux utilisés dans les filtres standard de p= 7 %, et de l'utilisation de réactances avec une valeur d'inductance (mH) également supérieure à celle des modèles standard. Tout cela donne une batterie de condensateurs nettement plus robuste qu'une batterie analogue en puissance avec p= 7 %.

Cas d'étude

Ce qui suit est un cas réel où l’application de deux batteries de filtres de rejet, à manœuvre par thyristors, et d’ensembles réactance-condensateur syntonisés à 170 Hz, a permis d’obtenir une compensation parfaite du réseau et, de plus, a nettement amélioré la qualité de l'alimentation (qualité de la tension) dans ledit réseau.

L’installation correspond à un funiculaire de la ville de Barcelone, dont le schéma unifilaire simplifié est illustré par la Fig. 3.

Fig. 3 Schéma unifilaire simplifié de l'installation d'un funiculaire de la ville de Barcelone

Fig. 4 Installation du funiculaire. La batterie de condensateurs est observée à gauche de la photo

Ce type d’installations présente clairement une symptomatologie similaire à celle décrite pour déterminer si elles sont ou non susceptibles de poser des problèmes dans le cas où une batterie de condensateurs classique avec des filtres de rejet est installée, puisqu’elles sont généralement situées loin de la sous-station à haute tension qui les alimente, avec une distance entre le transformateur MT/BT et la charge principale, en l’occurrence le convertisseur de puissance et le moteur de commande, généralement de plusieurs mètres et, avec l’existence, précisément, d’un convertisseur de puissance qui fait que le niveau de distorsion harmonique dans le courant est assez élevé.

Situation préalable à l'installation de la batterie de condensateurs

La Fig. 5 montre l'évolution des puissances actives et réactives inductives (période d'intégration de 1 s) dans l'un des deux transformateurs de l'installation. La batterie de condensateurs, qui correspond à un dispositif CIRCUTOR, avec manœuvre par thyristors, de 6 x 55 kvar/500 V/50 Hz/p = 8,7 %, est déconnectée.

Fig. 5 Évolution de la puissance active triphasée générée (rouge), de la puissance active triphasée consommée (vert) et de la puissance réactive inductive consommée (violet et bleu)

La Fig. 6 montre clairement l'influence sur la tension du réseau de la valeur du courant fourni par le transformateur, autre symptôme évident de réseau virtuel.

Fig. 6 Evolution de la tension entre les phases L1 et L2 (bleu) et de l'intensité du courant en L1 (vert) au point A

La Fig. 7 présente l'évolution des niveaux de distorsion en tension THD (U), qui sont significativement élevés en période de forte consommation d'intensité de courant par le convertisseur de puissance.

Fig. 7 Evolution de la distorsion harmonique en tension par phase au point A

Fig. 8 Formes d'onde de tension et de courant aux moments de consommation maximale du convertisseur

Situation actuelle, après l'installation de la batterie de condensateurs

La Fig. 9 montre l'évolution des puissances actives et réactives inductives (période d'intégration de 1 s) dans l'un des deux transformateurs de l'installation. La batterie de condensateurs est déjà en service.

Fig. 9 Évolution de la puissance active triphasée générée (rouge), de la puissance active triphasée consommée (vert) et de la puissance réactive inductive consommée (violet et bleu)

La Fig. 10 montre comment la réduction de la valeur du courant que le transformateur doit fournir réduit les variations de la tension dans le réseau de manière très sensible, améliorant ainsi la qualité de l'alimentation.

Fig. 10 Evolution de la tension entre les phases L1 et L2 (bleu) et de l'intensité du courant en L1 (vert) au point A

La Fig. 11 présente l'évolution des niveaux de distorsion en tension THD (U) lorsque l'équipement de compensation de réactive est en service. En comparant ces valeurs avec celles de la Fig. 7, une réduction notable des taux de distorsion harmonique en tension peut être observée (environ 40 % pour les valeurs maximales). La connexion de la batterie a un double effet réducteur de ces débits, effet provoqué par l'absorption d'un certain pourcentage du courant harmonique généré par le convertisseur par les condensateurs (dans ce cas, sans aucun risque pour ceux-ci car il s'agit d'un équipement renforcé pour cette situation), ainsi que par la réduction du courant circulant entre la sortie du transformateur de puissance et le CCP, ce qui diminue considérablement la chute de tension harmonique dans ledit câble, ainsi que les pertes internes dans le transformateur. En bref, la qualité de la tension dans le réseau, même si elle présente toujours des niveaux de distorsion élevés, passe à des valeurs plus tolérables, entraînant une amélioration significative de la qualité de l'alimentation électrique de l'installation, minimisant ainsi le risque de dysfonctionnement des équipements.

Fig. 11 Evolution de la distorsion harmonique en tension par phase au point A

Conclusions

Des diverses conclusions auxquelles aboutissent ce qui vient d'être discuté, nous pouvons considérer que la principale est la recommandation, par contre habituelle et constante de CIRCUTOR, de réaliser, dans la mesure du possible, une analyse de toute installation nécessitant l'incorporation d'une batterie de condensateurs pour la compensation réactive, devant laquelle des doutes raisonnables pourraient naître quant à un éventuel problème au niveau de la distorsion harmonique existant dans le réseau ; une analyse qui nous fournit les informations nécessaires à la sélection correcte et sûre de l'équipement le plus approprié pour chaque cas particulier. Il ne faut pas oublier que, en ce sens, CIRCUTOR met à la disposition du marché une gamme complète d'analyseurs de réseau à la point de la technologie qui, associés à un logiciel de gestion de données efficace, permettent de réaliser toute étude liée au sujet exposé dans cet article.

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