Qualité de l'énergie électrique - Electric power quality

La qualité de l'alimentation électrique est le degré auquel la tension, la fréquence et la forme d'onde d'un système d'alimentation électrique sont conformes aux spécifications établies. Une bonne qualité d'alimentation peut être définie comme une tension d'alimentation stable qui reste dans la plage prescrite, une fréquence alternative stable proche de la valeur nominale et une forme d'onde de courbe de tension lisse (ressemblant à une onde sinusoïdale). De manière générale, il est utile de considérer la qualité de l'alimentation comme la compatibilité entre ce qui sort d'une prise électrique et la charge qui y est branchée . Le terme est utilisé pour décrire l'énergie électrique qui alimente une charge électrique et la capacité de la charge à fonctionner correctement. Sans alimentation adéquate, un appareil électrique (ou une charge) peut mal fonctionner, tomber en panne prématurément ou ne pas fonctionner du tout. Il existe de nombreuses façons dont l'énergie électrique peut être de mauvaise qualité et de nombreuses autres causes d'une telle énergie de mauvaise qualité.

L' industrie de l'énergie électrique comprend la production d'électricité ( courant alternatif ), la transmission d'énergie électrique et finalement la distribution d'énergie électrique à un compteur d'électricité situé dans les locaux de l'utilisateur final de l'énergie électrique. L' électricité circule ensuite dans le système de câblage de l'utilisateur final jusqu'à ce qu'elle atteigne la charge. La complexité du système pour déplacer l'énergie électrique du point de production au point de consommation, combinée aux variations des conditions météorologiques, de la production, de la demande et d'autres facteurs, offre de nombreuses possibilités de compromettre la qualité de l'approvisionnement.

Bien que la "qualité de l'alimentation" soit un terme pratique pour beaucoup, c'est la qualité de la tension - plutôt que l'énergie ou le courant électrique - qui est en fait décrite par le terme. La puissance est simplement le flux d'énergie et le courant demandé par une charge est en grande partie incontrôlable.

Stabilité de fréquence de certains grands réseaux électriques

introduction

La qualité de l'énergie électrique peut être décrite comme un ensemble de valeurs de paramètres, tels que :

• Continuité de service (Que l'alimentation électrique soit sujette à des chutes ou dépassements de tension inférieurs ou supérieurs à un niveau seuil provoquant ainsi des pannes ou des baisses de tension)
• Variation de l'amplitude de la tension (voir ci-dessous)
• Tensions et courants transitoires
• Contenu harmonique dans les formes d'onde pour le courant alternatif

Il est souvent utile de considérer la qualité de l'énergie comme un problème de compatibilité : les équipements connectés au réseau sont-ils compatibles avec les événements sur le réseau, et la puissance délivrée par le réseau, y compris les événements, est-elle compatible avec les équipements connectés ? Les problèmes de compatibilité ont toujours au moins deux solutions : dans ce cas, soit assainir la puissance, soit durcir le matériel.

La tolérance des équipements informatiques aux variations de tension est souvent caractérisée par la courbe CBEMA , qui donne la durée et l'amplitude des variations de tension pouvant être tolérées.

Courbe CBEMA

Idéalement, la tension alternative est fournie par un service public sous forme sinusoïdale ayant une amplitude et une fréquence données par les normes nationales (dans le cas du secteur ) ou les spécifications du système (dans le cas d'une alimentation non directement connectée au secteur) avec une impédance de zéro ohms à toutes les fréquences .

Écarts

Aucune source d'alimentation réelle n'est idéale et peut généralement varier au moins des manières suivantes :

Tension

• Les variations de la tension de crête ou de la moyenne quadratique (RMS) sont toutes deux importantes pour différents types d'équipement.
• Lorsque la tension efficace dépasse la tension nominale de 10 à 80 % pendant 0,5 cycle à 1 minute, l'événement est appelé " surtension ".
• Un "dip" (en anglais britannique) ou un "sag" (en anglais américain les deux termes sont équivalents) est la situation inverse : la tension RMS est inférieure de 10 à 90 % à la tension nominale pendant 0,5 cycle à 1 minute.
• Des variations aléatoires ou répétitives de la tension RMS entre 90 et 110 % de la tension nominale peuvent produire un phénomène appelé « scintillement » dans les équipements d'éclairage. Le scintillement est un changement visible rapide du niveau de lumière. La définition des caractéristiques des fluctuations de tension qui produisent un scintillement lumineux désagréable a fait l'objet de recherches en cours.
• Augmentations brusques et très brèves de la tension, appelées « pics », « impulsions » ou « surtensions », généralement causées par la mise sous tension de charges inductives importantes , ou plus gravement par la foudre .
• La « sous-tension » se produit lorsque la tension nominale chute en dessous de 90 % pendant plus d'une minute. Le terme "coupure de courant" est une description appropriée des chutes de tension quelque part entre la pleine puissance (lumières vives) et une panne d'électricité (pas de puissance - pas de lumière). Cela provient de la gradation notable à significative des lampes à incandescence régulières, lors de pannes ou de surcharges du système, etc., lorsque la puissance disponible est insuffisante pour obtenir une luminosité maximale dans (généralement) l'éclairage domestique. Ce terme d'usage courant n'a pas de définition formelle mais est couramment utilisé pour décrire une réduction de la tension du système par le service public ou l'opérateur du système pour diminuer la demande ou augmenter les marges d'exploitation du système.
• Une « surtension » se produit lorsque la tension nominale dépasse 110 % pendant plus d'une minute.

La fréquence

• Variations de la fréquence .
• Impédance basse fréquence non nulle (lorsqu'une charge consomme plus d'énergie, la tension chute).
• Impédance haute fréquence non nulle (lorsqu'une charge demande une grande quantité de courant, puis cesse soudainement de l'exiger, il y aura une baisse ou une pointe de tension due aux inductances de la ligne d'alimentation).
• Variations de la forme d'onde - généralement décrites comme des harmoniques à des fréquences plus basses (généralement moins de 3 kHz) et décrites comme une distorsion de mode commun ou des interharmoniques à des fréquences plus élevées.

Forme d'onde

• L'oscillation de tension et de courant suit idéalement la forme d'une fonction sinus ou cosinus, mais elle peut changer en raison d'imperfections dans les générateurs ou les charges.
• En règle générale, les générateurs provoquent des distorsions de tension et les charges provoquent des distorsions de courant. Ces distorsions se produisent sous forme d'oscillations plus rapides que la fréquence nominale et sont appelées harmoniques.
• La contribution relative des harmoniques à la distorsion de la forme d'onde idéale est appelée distorsion harmonique totale (THD).
• Un faible contenu harmonique dans une forme d'onde est idéal car les harmoniques peuvent provoquer des vibrations, des bourdonnements, des distorsions d'équipement, des pertes et une surchauffe dans les transformateurs.

Chacun de ces problèmes de qualité de l'alimentation a une cause différente. Certains problèmes sont dus à l'infrastructure partagée. Par exemple, une panne sur le réseau peut provoquer un creux qui affectera certains clients ; plus le niveau du défaut est élevé, plus le nombre affecté est important. Un problème sur le site d'un client peut provoquer un transitoire qui affecte tous les autres clients sur le même sous-système. Des problèmes, tels que des harmoniques, surviennent au sein de la propre installation du client et peuvent se propager sur le réseau et affecter d'autres clients. Les problèmes d'harmoniques peuvent être traités par une combinaison de bonnes pratiques de conception et d'équipements de réduction éprouvés.

Conditionnement de puissance

Le conditionnement de puissance modifie la puissance pour en améliorer la qualité.

Une alimentation sans coupure (UPS) peut être utilisée pour couper l'alimentation secteur en cas de condition transitoire (temporaire) sur la ligne. Cependant, les unités ASI moins chères créent elles-mêmes une alimentation de mauvaise qualité, ce qui revient à imposer une onde carrée de fréquence plus élevée et d' amplitude inférieure au sommet de l'onde sinusoïdale. Les onduleurs de haute qualité utilisent une topologie à double conversion qui décompose l'alimentation CA entrante en CC, charge les batteries, puis reconditionne une onde sinusoïdale CA. Cette onde sinusoïdale remise à neuf est de meilleure qualité que l'alimentation CA d'origine.

Un régulateur de tension dynamique (DVR) et un compensateur statique synchrone en série (SSSC) sont utilisés pour la compensation des creux de tension en série.

Un parasurtenseur ou un simple condensateur ou varistance peut protéger contre la plupart des conditions de surtension, tandis qu'un parafoudre protège contre les pointes de tension sévères.

Les filtres électroniques peuvent éliminer les harmoniques.

Réseaux intelligents et qualité de l'énergie

Les systèmes modernes utilisent des capteurs appelés unités de mesure de phaseur (PMU) répartis sur tout leur réseau pour surveiller la qualité de l'énergie et, dans certains cas, y répondre automatiquement. L'utilisation de telles fonctionnalités de réseaux intelligents de détection rapide et d'auto-guérison automatique des anomalies dans le réseau promet d'apporter une alimentation de meilleure qualité et moins de temps d'arrêt tout en prenant simultanément en charge l'alimentation des sources d'alimentation intermittentes et de la production distribuée , ce qui, si elle n'était pas contrôlée, dégraderait la qualité de l'alimentation.

Algorithme de compression

Un algorithme de compression de la qualité de l'énergie est un algorithme utilisé dans l'analyse de la qualité de l'énergie. Pour fournir un service d'alimentation électrique de haute qualité, il est essentiel de surveiller la qualité des signaux électriques également appelés qualité de l'alimentation (PQ) à différents endroits le long d'un réseau d' alimentation électrique . Les services publics d'électricité surveillent attentivement les formes d'onde et les courants à divers emplacements du réseau, pour comprendre ce qui a conduit à des événements imprévus tels qu'une panne de courant et des pannes de courant. Ceci est particulièrement critique sur les sites où l'environnement et la sécurité publique sont menacés (institutions telles que les hôpitaux, les stations d'épuration, les mines, etc.).

Défis

Les ingénieurs ont à leur disposition de nombreux compteurs, capables de lire et d'afficher les formes d'onde de puissance électrique et de calculer les paramètres des formes d'onde. Ces paramètres peuvent inclure, par exemple, le courant et la tension RMS, la relation de phase entre les formes d'onde d'un signal multiphasé, le facteur de puissance , la fréquence , la distorsion harmonique totale (THD), la puissance active (kW), la puissance réactive (kVAr), la puissance apparente (kVA) et l'énergie active (kWh), l'énergie réactive (kVArh) et l'énergie apparente (kVAh) et bien d'autres. Afin de surveiller suffisamment les événements imprévus, Ribeiro et al. explique qu'il ne suffit pas d'afficher ces paramètres, mais également de capturer des données de forme d'onde de tension à tout moment. Ceci est impraticable en raison de la grande quantité de données impliquées, provoquant ce que l'on appelle « l'effet bouteille ». Par exemple, à un taux d'échantillonnage de 32 échantillons par cycle, 1 920 échantillons sont collectés par seconde. Pour les compteurs triphasés qui mesurent à la fois les formes d'onde de tension et de courant, les données sont 6 à 8 fois supérieures. Des solutions plus pratiques développées ces dernières années stockent les données uniquement lorsqu'un événement se produit (par exemple, lorsque des niveaux élevés d' harmoniques du système d'alimentation sont détectés) ou bien pour stocker la valeur RMS des signaux électriques. Cependant, ces données ne sont pas toujours suffisantes pour déterminer la nature exacte des problèmes.

Compression de données brutes

Nisenblat et al. propose l'idée d'un algorithme de compression de la qualité de l'énergie (similaire aux méthodes de compression avec perte ) qui permet aux compteurs de stocker en continu la forme d'onde d'un ou plusieurs signaux de puissance, qu'un événement d'intérêt ait été identifié ou non. Cet algorithme appelé PQZip permet à un processeur de disposer d'une mémoire suffisante pour stocker la forme d'onde, dans des conditions de puissance normales, sur une longue période de temps, d'au moins un mois, deux mois voire un an. La compression est effectuée en temps réel, au fur et à mesure de l'acquisition des signaux ; il calcule une décision de compression avant que toutes les données compressées ne soient reçues. Par exemple, si un paramètre reste constant et que divers autres fluctuent, la décision de compression ne conserve que ce qui est pertinent des données constantes et conserve toutes les données de fluctuation. Il décompose ensuite la forme d'onde du signal de puissance de nombreux composants, sur différentes périodes de la forme d'onde. Il conclut le processus en compressant les valeurs d'au moins certains de ces composants sur différentes périodes, séparément. Cet algorithme de compression en temps réel, exécuté indépendamment de l'échantillonnage, évite les lacunes dans les données et a un taux de compression typique de 1000:1.

Compression de données agrégées

Une fonction typique d'un analyseur de puissance est la génération d'archives de données agrégées sur un intervalle donné. Le plus souvent, un intervalle de 10 minutes ou 1 minute est utilisé comme spécifié par les normes IEC/IEEE PQ. Des tailles d'archives importantes sont créées lors du fonctionnement d'un tel instrument. Comme Kraus et al. ont démontré que le taux de compression sur de telles archives en utilisant l' algorithme de chaîne de Lempel-Ziv-Markov , bzip ou d'autres algorithmes de compression sans perte similaires peut être significatif. En utilisant la prédiction et la modélisation sur les séries temporelles stockées dans l'archive de qualité de l'alimentation réelle, l'efficacité de la compression de post-traitement est généralement encore améliorée. Cette combinaison de techniques simplistes implique des économies dans les processus de stockage et d'acquisition de données.

Normes

La qualité de l'électricité fournie est énoncée dans les normes internationales et leurs dérivés locaux, adoptées par différents pays :

EN50160 est la norme européenne de qualité de l'alimentation, fixant les limites acceptables de distorsion pour les différents paramètres définissant la tension en courant alternatif.

IEEE-519 est la directive nord-américaine pour les systèmes d'alimentation. Elle est définie comme « pratique recommandée » et, contrairement à la norme EN50160, cette directive fait référence à la distorsion de courant ainsi qu'à la tension.

CEI 61000-4-30 est la norme définissant les méthodes de surveillance de la qualité de l'alimentation. L'édition 3 (2015) inclut des mesures de courant, contrairement aux éditions précédentes qui ne concernaient que la mesure de tension.

Voir également

• Restauration dynamique de la tension

Les références

Littérature