Émissions “suprahharmoniques”: membres invisibles de l’électricité produite à partir de sources renouvelables
Au cours de la prochaine décennie, avoir des panneaux solaires et des chargeurs de véhicules électriques dans toutes nos rues et maisons sera une chose normale. Mais saviez-vous que ce type d’appareil injecte dans les réseaux électriques des signaux d’émissions « suprahharmoniques » ? Au cours des dernières années, les émissions suprahharmoniques ont retenu l'attention des compagnies d'électricité et de la communauté de recherche, car la combinaison d'émissions générées par de nombreux dispositifs peut avoir des effets nocifs sur les réseaux électriques et les dispositifs qui y sont connectés.
L’un des principaux objectifs de l’Accord climatique de Paris 2015, encouragé par l’Organisation des Nations Unies, est de parvenir à une économie de neutralité carbone. Cet accord climatique fixe un certain nombre d’objectifs à long terme pour toutes les nations. Parmi ces mesures figure la réduction des émissions de gaz à effet de serre, limitant au niveau mondial la hausse de température de ce siècle à 2 °C. L’Union européenne a établi, dans son cadre juridique, les engagements convenus dans l’accord sur le climat de Paris, à travers le pacte vert européen pour le climat de 2019 et la loi européenne sur le climat de 2021. Ces accords prévoient que les émissions de carbone d’ici 2030 doivent être inférieures de 55% aux mesures d’ici à 1990. L’électromobilité ou e-mobilité et la production distribuée d’énergies renouvelables seront essentielles pour réduire la dépendance sociale des combustibles fossiles.
Les politiques de l'ONU et de l'Union européenne ont commencé à influer sur la vie quotidienne de la population. Les chargeurs et panneaux solaires de véhicules électriques sont en construction massive dans les maisons et les rues, reliées au réseau à basse tension. En outre, une augmentation exponentielle de ce type de dispositifs dans le réseau à basse tension est prévue à l'avenir.
Au cours des dernières décennies, l'influence des chargeurs et panneaux solaires de véhicules électriques sur le réseau à basse tension a été étudiée. Ces équipements disposent de redresseurs et d'inverseurs pour modifier les caractéristiques de l'électricité. Les rectificateurs captent le courant alternatif (signal de puissance 50 Hz) et le convertissent en courant continu. Les chargeurs de véhicules électriques sont utilisés pour transformer l'électricité du réseau à basse tension, car les batteries des véhicules électriques fonctionnent en courant continu. Au contraire, les inverseurs convertissent le courant continu en courant alternatif. Ces dispositifs sont utilisés dans le cas des panneaux solaires, car l'électricité produite par les panneaux solaires est sous forme de courant continu et le réseau à basse tension fonctionne en courant alternatif. Dans ces versions de l'électricité, des impuretés sont générées en raison des techniques et composants électroniques mis en œuvre par les investisseurs et les rectificateurs. Ces impuretés sont injectées sous la forme de signaux ou d'émissions indésirables dans des réseaux à courant alternatif basse tension qui se propagent sur le réseau avec un signal de 50 Hz. La discipline chargée de l’étude de ces impuretés est appelée “qualité de puissance”, dérivée du terme anglais “power-quality”.
La qualité de puissance est mesurée depuis la création des réseaux électriques et les composants de fréquence qui apparaissent en dehors du signal de puissance de 50 Hz sont caractérisés. De nombreuses études ont été publiées dans la littérature pour analyser les phénomènes d'interférence dans les réseaux à basse tension (moins de 2 kHz). Les basses fréquences produisent des émissions non désirées parce qu’elles sont « harmoniques ». Ce sont des impuretés du signal de 50 Hz et se trouvent en multiples de la fréquence du courant alternatif (50 Hz), comme 100 Hz (premier harmonique), 150 Hz (deuxième harmonique), 200 Hz (troisième harmonique), etc. Cependant, les émissions non désirées se produisent à des fréquences supérieures à 40 (2 kHz). À partir de cette fréquence, les émissions non désirées ne sont pas harmoniques du signal de puissance de 50 Hz, mais dépendent des fréquences de commutation des techniques et composants mis en œuvre par les onduleurs et les redresseurs. Les émissions indésirables générées par ces équipements se situent généralement entre 2 kHz et 500 kHz.
Les émissions “suprahharmoniques” sont des composantes de fréquence non désirées qui peuvent être mesurées dans la plage de fréquences comprise entre 2 kHz et 500 kHz. Le mot suprahharmonique (issu de l’anglais “supraharmonic”) est utilisé pour désigner les émissions qui se produisent à des fréquences supérieures à 2 kHz, parce que le terme suprahharmonique est une combinaison des mots latin “supra” (ci-dessus) et anglais “harmonic” au-dessus des harmoniques. Le terme suprahharmonique, très utilisé dans la communauté de recherche, peut provoquer une mauvaise compréhension du phénomène physique des émissions non désirées qui se produisent entre 2 kHz et 500 kHz. La source de ces émissions non désirées n'est pas liée aux impuretés de courant alternatif, mais aux fréquences de travail des composants et des techniques des redresseurs et des inverseurs.
Dans la gamme de fréquences où les émissions suprahharmoniques sont produites, les transmissions des communications de la ligne électrique (PLC, en anglais “power line communications”) se produisent dans la bande 10-490 kHz. Les technologies PLC utilisent les câbles des réseaux électriques comme moyen de communication. À l’heure actuelle, les technologies PLC sont les principaux systèmes de communication de compteurs « intelligents » qui mesurent la consommation et la production d’électricité dans les maisons et les entreprises, à travers lesquels les informations de télémétrie des consommations d’électricité sont transmises aux entreprises gestionnaires de réseaux à basse tension. Grâce aux technologies PLC, les compagnies électriques ont développé des tarifs à prix variables tout au long de la journée qui peuvent dépendre de la demande et de l'offre du marché de l'électricité.
Les émissions suprahharmoniques peuvent avoir des effets indésirables ou avoir un impact négatif sur les réseaux à basse tension et les appareils qui y sont connectés. Ces émissions indésirables, si leur niveau d'amplitude est trop élevé, peuvent compromettre le bon fonctionnement de certains dispositifs. En outre, l’énergie des émissions suprahharmoniques a été associée au « stress thermique » subi par les appareils, ce qui réduit la durée de vie des composants électroniques mis en œuvre par les équipements, ce qui accélère le vieillissement de ces derniers. En outre, les communications PLC sont transmises à des fréquences où se propagent les émissions suprahharmoniques, de sorte que les émissions non désirées peuvent interférer avec les transmissions PLC et réduire les communications transportant des informations de télémétrie. Bien que les effets négatifs décrits aient un faible pourcentage d'ordinateurs connectés au réseau à basse tension, des millions d'appareils et de compteurs intelligents étant connectés au réseau, des mesures sont nécessaires pour atténuer ces effets.
Les effets négatifs des émissions suprahharmoniques ont créé de nombreuses possibilités de recherche pour la conception de nouvelles techniques et/ou de dispositifs qui empêchent l'impact de ces émissions. Les recherches menées ces dernières années ont permis le lancement de filtres commerciaux qui affaiblissent les émissions suprahharmoniques générées par les appareils. En outre, les limites d'amplitude des signaux pouvant être injectés par les dispositifs sur le réseau ont été définies dans des normes internationales que les fabricants d'équipements doivent prendre en compte lors de la conception des dispositifs. En outre, le niveau maximal que peuvent atteindre les combinaisons de toutes les émissions suprahharmoniques générées par tous les dispositifs sur le réseau et qui doivent être contrôlées par les compagnies d’électricité exploitant des réseaux à basse tension a été fixé. En outre, onze techniques basées sur le traitement du signal ont été publiées pour que la communication PLC fonctionne à 100%. L’objectif de ces techniques est d’éliminer les phénomènes d’interférence résultant des émissions suprahharmoniques dans les transmissions PLC ou, au moins, de réduire leur impact. Toutefois, de nombreuses études sont encore en cours sur ces émissions du point de vue métrologique (science qui étudie la précision des mesures), liées à l'amélioration de la vitesse et de la couverture des communications PLC.
Le groupe de recherche TSR (Traitement du signal et des radiocommunications) de l’École d’Ingénierie de Bilbao de l’Université du Pays Basque (UPV/EHU), après avoir étudié depuis 1998 la qualité des signaux de télévision et de radio, a créé il y a 9 ans une nouvelle ligne de recherche intitulée « Communications pour réseaux électriques intelligents ». Cette ligne de recherche visait à orienter les possibilités de recherche autour des émissions suprahharmoniques et à répondre aux demandes des entreprises du Pays basque.
Le groupe de recherche TSR de l'UPV/EHU a créé une série de compteurs propres pour caractériser le réseau électrique dans la gamme de fréquences suprahharmoniques. Parmi les instruments générés figurent les compteurs d'émission suprahharmoniques dans une plage de fréquences comprise entre 9 kHz et 20 MHz, parmi lesquels les sondes de ces compteurs ont été définies et les codes de traitement des mesures en temps réel. En outre, des instruments de mesure ont été mis au point pour mesurer l'impédance d'entrée du réseau à basse tension dans la même gamme de fréquences et quantifier l'affaiblissement des signaux de communication PLC entre les deux points du réseau. Ces appareils fournissent les données nécessaires pour caractériser complètement le réseau à basse tension. Ces données ont été utilisées pour caractériser les mécanismes d'interférence que les réseaux à basse tension génèrent dans les communications des technologies PLC. Toutefois, les interférences dans les communications PLC ont été caractérisées à la fois par des tests en laboratoire et par des tests sur des réseaux à basse tension. En outre, les données recueillies sur les réseaux à basse tension ont été utilisées pour analyser la métrologie des mesures par des études d'incertitude des techniques mises en œuvre par les instruments qui mesurent la qualité de puissance définie dans les normes internationales et qui peuvent être trouvées sur le marché.
En outre, les recherches menées au sein de l'équipe de recherche TSR de l'UPV/EHU ont permis d'apporter des contributions importantes au niveau international en matière de normalisation et de recherche. Parmi ces contributions figurent la participation au projet européen EMPIR-SuprEMI, financé par EURAMET (Association des centres nationaux de métrologie européenne), ainsi que les contributions apportées par différents groupes de travail des organisations IEC (Comité électrotechnique international) et CENELEC (Commission européenne pour la normalisation électrotechnique), chargées de la création de normes internationales.
En résumé, au cours des prochaines décennies, le nombre de panneaux solaires et de chargeurs de véhicules électriques connectés aux réseaux à basse tension augmentera exponentiellement en raison des politiques de décarbonisation de l’Organisation des Nations unies et de l’Union européenne. Ces équipements génèrent et injectent des émissions supraharmoniques dans des réseaux à basse tension et peuvent affecter négativement les autres équipements. Toutefois, plusieurs études de prévention et d'atténuation des émissions suprahharmoniques ont été menées ou sont en cours. Les conclusions tirées de ces études seront d'une grande utilité pour assurer une bonne qualité de puissance des réseaux à basse tension lorsque le nombre de panneaux solaires et de chargeurs de véhicules électriques sera considérable à l'avenir.
Remerciements:
Ce travail a été financé par le gouvernement basque par les subventions IT1436-22, PRE_2023_2_0037 et PRE_2023_2_0162. Ce travail a également été financé par la subvention PID2021-124706OB-I00, le MCIN/AEI/10.13039/501100011033 et le Fonds européen de développement régional: « Une façon de faire l’Europe ».
Bibliographie :
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