Résumé
Le SVG (Static Var Generator) représente la technologie de compensation de puissance réactive la plus avancée dans les systèmes électriques modernes. Avec des algorithmes de contrôle améliorés, il peut également effectuer une compensation harmonique. Cependant, les applications sur le terrain ont révélé un phénomène contre-intuitif : alors que les harmoniques de courant et de tension côté système diminuent pendant la compensation, les harmoniques de courant côté charge augmentent significativement. Cet article examine cette question à travers l’analyse théorique, la modélisation et la simulation, fournissant des perspectives pratiques pour le déploiement efficace de systèmes de compensation harmonique.
Mots-clés : compensation harmonique ; Générateur de Var statique (SVG)
I. Introduction
L’utilisation généralisée de charges non linéaires — telles que les fours à arc, les fours à induction à fréquence moyenne, les fours à arc submergé, les variateurs de fréquence variable basse tension (VFD) et les redresseurs — a entraîné des problèmes de qualité d’alimentation de plus en plus graves dans les réseaux électriques, notamment les harmoniques, le scintillement de tension, le déséquilibre, la surtension et la sous-tension. Ces perturbations menacent non seulement le fonctionnement d’équipements sensibles à haute précision, mais augmentent également les pertes dans les infrastructures de transport et de distribution. Parmi ces problèmes, les harmoniques présentent des risques particulièrement graves, réduisant l’efficacité énergétique et provoquant une surchauffe, des vibrations, du bruit, du vieillissement de l’isolation, voire des pannes catastrophiques des équipements électriques.
Les solutions courantes d’atténuation harmonique incluent les filtres passifs (FC) et les filtres de puissance active (APF). Alors que les APF sont généralement déployés à basse tension (par exemple, 380 V ou 660 V), les systèmes moyenne et haute tension (10 kV/35 kV) reposent souvent sur des SVG en cascade de pont H avec des stratégies de contrôle modifiées pour obtenir une puissance réactive intégrée et une compensation harmonique.
Le SVG, basé sur des dispositifs IGBT entièrement contrôlés, remplace les condensateurs volumineux et les réacteurs par des électroniques de puissance à commutation rapide, permettant une compensation dynamique, fluide et précise. En affinant son algorithme de contrôle, le SVG peut simultanément compenser la puissance réactive et supprimer les harmoniques.
Cet article présente le principe de compensation harmonique des SVG, rapporte une application concrète et analyse une augmentation inattendue des harmoniques côté charge grâce à la simulation et à la modélisation théorique.
II. Principe de compensation harmonique de la SVG
a. Fonctionnement basique du SVG
Tableau 1 : Principes de l’État de fonctionnement
Le SVG est un compensateur dynamique de puissance réactive statique et à réponse rapide. Il relie un circuit pont auto-commuté — composé de plusieurs modules en H-bridge connectés en série — au réseau via des réacteurs ou des transformateurs (Fig. 1). En ajustant l’amplitude et la phase de la tension de sortie côté AC (ou en contrôlant directement le courant de sortie), le SVG injecte ou absorbe la puissance réactive selon les besoins.
Figure 1 : Schéma d’un système SVG en cascade haute tension
Dans les applications à haute tension, plusieurs modules de pont H sont en cascade par phase, le nombre évoluant avec le niveau de tension. Les signaux de contrôle sont transmis via la fibre optique afin d’assurer l’isolation galvanique et l’immunité au bruit (Fig. 2).
Figure 2 : Schéma de la structure électrique du système SVG
Le SVG surveille en continu la tension du système, le courant système et le courant de charge, puis ajuste dynamiquement sa sortie pour maintenir les valeurs ciblées de puissance réactive, tension ou facteur de puissance au point de couplage commun.
b. Mécanisme de compensation harmonique
Le principe de fonctionnement d’un SVG moyenne tension avec capacité de filtration active utilisant le contrôle du courant continu est illustré à la Figure 3. À partir de cette figure, l’équation (1) peut être déduite, indiquant que le courant source est la somme vectorielle du courant de charge et du courant de compensation :
Figure 3 : Principe de fonctionnement d’un générateur Var statique utilisant le contrôle du courant continu
En supposant que le courant de charge contient un courant fondamental de séquence positive (incluant à la fois les composantes réactive et active fondamentales de la séquence positive), le courant fondamental de séquence négative et les courants harmoniques, il peut s’exprimer comme suit :
Pour éliminer les composantes fondamentales réactives de séquence positive et fondamentale de séquence négative du courant source, le courant de sortie SVG doit satisfaire l’équation (3) :
En conséquence, le courant source ne contiendra que la composante active fondamentale de séquence positive et les courants harmoniques, comme montré dans l’équation (4) :
Ainsi, atteindre la compensation souhaitée dépend du contrôle précis du courant de sortie SVG pour satisfaire à l’exigence de l’équation (3).
D’après la description ci-dessus du principe de fonctionnement du SVG, il est évident que si le SVG doit supprimer les harmoniques de charge en plus de compenser la puissance réactive, il n’a besoin que de générer les courants harmoniques correspondants. Par conséquent, le SVG peut simultanément remplir deux objectifs : compenser le courant réactif et atténuer le courant harmonique.
Divers algorithmes de détection des harmoniques peuvent être utilisés à cette fin, tels que la détection harmonique sélective basée sur des coordonnées tournantes, la FFT (transformée rapide de Fourier) et la théorie de la puissance réactive instantanée, entre autres.
III. Observation de terrain et analyse des problèmes
a. Étude de cas : une papeterie en Chine
L’installation est alimentée par un réseau de 35 kV via deux transformateurs principaux de 10 kV (un actif, un en veille). Le bus 10 kV dessert ~60 alimentateurs et deux unités auto-générées. Les charges non linéaires clés incluent les redresseurs au dioxyde de chlore, les redresseurs chlor-alcali et les VFD, générant les 5e et 7e harmoniques dominantes, la 5e dépassant les limites d’utilité.
Figure 4 : Schéma du système primaire de l’alimentation électrique sur site
Un SVG de 10 kV / 5 Mvar a été installé sur le bus 10 kV pour la mitigation des 5e harmoniques. Les données post-mise en service (Tableau 2) montrent :
Tableau 2 : Effets de la compensation harmonique
Alors que les harmoniques côté système diminuaient, le courant total de la 5e harmonique côté charge passa de 93 A à 152 A — soit une augmentation de 63 % — malgré la limite de compensation de 96 A du SVG.
Les mesures des harmoniques de tension ont confirmé une suppression réussie au bus 10 kV (Fig. 5), excluant une résonance ou une surcompensation.
Figure 5 : Harmoniques de la tension de bus de 10 kV avant (gauche) et après (droite) compensation
b. Analyse de la cause profonde
Le phénomène provient de l’impédance interne ((Z_1)) non négligeable du système d’alimentation relativement faible. Le courant harmonique de charge dépend de :
Tension de grille ((V))
Impédance de source ((Z_1))
Impédance de charge ((Z_2))
Avant la compensation, le courant harmonique circulant à travers (Z_1) provoque une distorsion de tension au point de connexion. Après compensation SVG, un courant harmonique moindre revient à la source, réduisant la distorsion de tension et augmentant effectivement la capacité apparente de court-circuit de la grille. Par conséquent, la même charge non linéaire consomme plus de courant harmonique grâce à une meilleure qualité de tension — un effet d'« amplification harmonique » bien documenté dans les grilles faibles.
Figure 6 : Schéma du principe de compensation harmonique SVG
IV. Simulation Validation
Un modèle Simulink du système 10 kV a été construit (Fig. 7), avec le contrôleur SVG implémenté comme une fonction S basée sur C (Fig. 8). La charge consistait en un redresseur à diode triphasé avec réacteurs d’entrée et sortie RC.
Figure 7 : Simulation Simulink de la compensation harmonique SVG en grille 10kV
Figure 8 : Réglages du module à fonction S
Deux scénarios ont été testés :
(1) Rapport d’impédance source/charge = 1:10
Figure 9 : Forme d’onde du résultat de la simulation avec rapport d’impédance 1:10
Le courant harmonique de charge est passé de 81,63 % à 85,09 % THD
Les harmoniques de tension et de courant du système ont considérablement diminué
Tableau 3 : Comparaison des harmoniques à avance avant et après la compensation harmonique avec le rapport d’impédance 1:10
(2) Rapport d’impédance = 1:1 (grille plus faible)
Figure 10 : Forme d’onde du résultat de la simulation avec rapport d’impédance 1:1
Le courant harmonique de charge a augmenté à 105,31 % de THD
Confirme que des grilles plus faibles aggravent l’amplification harmonique côté charge
Les formes d’onde (Fig. 9–10) montrent clairement une distorsion du courant de charge croissante malgré des formes d’onde côté système plus nettes.
Tableau 4 : Comparaison des harmoniques avant et après la compensation harmonique avec un rapport d’impédance 1:1
V. Conclusion
Cette étude démontre que, bien que les SVG haute tension réduisent efficacement les harmoniques côté système, ils peuvent involontairement augmenter les courants harmoniques côté charge dans des scénarios de grille faible en raison de l’amélioration de la qualité de la tension. L’effet s’intensifie à mesure que le rapport entre l’impédance de la source et l’impédance de charge diminue.
Par conséquent, lors de la conception de systèmes de compensation harmonique :
Ne dimensionnez pas la capacité SVG uniquement en fonction des harmoniques de charge mesurées
Prendre en compte la résistance du réseau (capacité de court-circuit) et les caractéristiques d’impédance
Considérons des solutions hybrides (par exemple, SVG + filtres passifs) pour des applications critiques
Ces résultats fournissent des orientations précieuses pour un déploiement sûr et efficace de l’atténuation harmonique basée sur les SVG dans les systèmes électriques industriels.
.jpg?imageView2/1/format/webp)
Bienvenue sur Inquire