Power Quality Harmoniques · Mesure Entrée · Sortie Analyse de l'angle de phase Référence technique

Entrée et sortie harmoniques: Détermination de la direction du courant harmonique à l'aide de l'analyse de l'angle de phase

Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.) · IPQDF · Série de références techniques · Source: HIOKI E.E. Corporation — Guide pour la mesure de la qualité de l'énergie

01 Pourquoi la direction harmonique est importante

La mesure de l'ampleur de la tension harmonique et de la distorsion du courant en un point du réseau vous indique la gravité de la situation harmonique.. Il ne vous dit pas d'où viennent les harmoniques. Dans un véritable réseau de distribution, plusieurs charges et plusieurs sources harmoniques coexistent sur le même bus. Lorsqu’un problème de conformité harmonique est identifié, la première question d'ingénierie est: cette installation génère-t-elle des harmoniques qui s'écoulent dans le réseau, ou reçoit-il des harmoniques provenant du réseau? La réponse détermine qui est responsable de l’atténuation.

Cette distinction — afflux harmonique vs. sortie - est la base de l'attribution des responsabilités harmoniques dans les directives du réseau de distribution du Japon et est de plus en plus pertinente dans d'autres cadres réglementaires à mesure que les limites harmoniques se resserrent et que plusieurs charges non linéaires partagent des bus communs. La détermination de la direction nécessite plus qu'une mesure THD : elle nécessite une analyse de la relation de phase entre la tension harmonique et le courant harmonique au point de mesure..[1]

Perspective des services publics : pourquoi l'orientation est importante au PCC

Du point de vue de l'utilité, un client générant un courant harmonique qui s'écoule dans le réseau est une source de pollution harmonique affectant les autres clients sur le même départ. Un client recevant un courant harmonique provenant du réseau est victime de cette pollution.. Il s’agit de situations très différentes, avec des solutions différentes et des responsabilités différentes.. IEEE 519 les limites s'appliquent au courant harmonique qu'un client injecte dans le réseau (sortie) et non à ce que le client reçoit. Un ingénieur de service public qui enquête sur une plainte concernant des harmoniques doit connaître la direction avant d'attribuer la responsabilité.

02 Deux méthodes pour évaluer les entrées et les sorties

Méthode 1 — Polarité de puissance harmonique

La première méthode utilise le signe de la puissance active harmonique (P_h) à chaque ordre harmonique. La puissance harmonique est le produit de la tension harmonique, courant harmonique, et le cosinus de l'angle de phase entre eux. Une puissance harmonique positive indique que l'installation consomme cette harmonique - afflux. Une puissance harmonique négative indique qu'elle génère cette harmonique - sortie.[1]

Cette méthode est théoriquement propre mais présente une limitation pratique: les niveaux de puissance harmonique diminuent rapidement avec l'augmentation de l'ordre harmonique. La puissance du 11ème harmonique est généralement une petite fraction de la puissance du 5ème harmonique.. Aux commandes supérieures, le signal de puissance harmonique s'approche du bruit de fond de l'instrument de mesure, rendre la détermination de la polarité peu fiable. Cette méthode fonctionne bien pour les harmoniques dominantes d'ordre inférieur (3e, 5e, 7e) mais devient peu fiable pour le 11, 13e, et au-dessus.[1]

Méthode 2 — Différence de phase harmonique tension-courant (je)

La deuxième méthode utilise la différence d'angle de phase entre la tension harmonique et le courant harmonique à chaque ordre harmonique - notée θ. Il s'agit d'une approche plus robuste car elle est basée sur la mesure de l'angle de phase plutôt que sur l'amplitude de puissance., et l'angle de phase peut être déterminé avec précision même lorsque les amplitudes harmoniques sont faibles.[1]

Pour les installations triphasées à 3 fils utilisant la méthode de mesure à 2 mètres (3P3W2M), la métrique recommandée est l'angle de phase somme θ_somme — la différence de phase harmonique tension-courant calculée à partir de la somme des grandeurs mesurées sur les deux canaux de mesure. Cette approche par somme fournit une valeur plus stable et représentative que les mesures de phases individuelles pour les systèmes triphasés..

Afflux / Règle de décision de sortie - θ_somme

Afflux (consommer des harmoniques)

−90° ≤ θ_somme ≤ +90°

Sortie (générer des harmoniques)

−180° à −90° ou +90° à +180°

Procédure recommandée — Guidage HIOKI

HIOKI recommande un processus de jugement en deux étapes. Premier, confirmer que l'amplitude du courant harmonique est significative - si le courant harmonique est faible par rapport au fondamental, le jugement de direction est moins significatif quelle que soit la méthode. Deuxième, appliquer le θ_somme critère pour déterminer l’entrée ou la sortie. Le je_moyenne graphique dans le modèle HIOKI 9624-50 Le logiciel d'application PQA HiVIEW Pro fournit l'affichage de l'angle de phase moyen approprié pour ce jugement.[1]

03 Configuration des mesures

Paramètre	Valeur / Configuration
Type de circuit	3-la phase 3 fils (3P3W2M — méthode 2 mètres)
Niveau de tension	6.6 Circuit de distribution kV
Instrument de mesure	Analyseur de qualité d'énergie HIOKI avec logiciel PQA HiVIEW Pro (Modèle 9624-50)
Affichage des touches	Courbe temporelle de différence de phase tension-courant harmonique - θ_moyenne graphique
Harmoniques surveillées	Fondamental (1er), 3e, 5e, 7e

La configuration 3P3W2M utilise deux capteurs de courant et deux mesures de tension pour caractériser entièrement le système triphasé à 3 fils.. La “somme” l'approche de l'angle de phase est spécifique à cette configuration — elle combine les mesures des deux canaux pour produire un seul θ_somme valeur par ordre harmonique qui est représentative de la direction globale du flux harmonique triphasé.[1]

04 Exemples d'analyse: Quatre ordres harmoniques, Quatre comportements différents

Les exemples suivants sont tirés de mesures sur un 6.6 circuit kV. Les tracés temporels montrent la différence de phase harmonique tension-courant (je_somme) au fil du temps pour chaque ordre harmonique. La limite entrée/sortie est à ±90°.[1]

Fondamental (1ère harmonique) et 5ème harmonique - Entrée

Courbe temporelle de la différence de phase tension-courant harmonique pour la fondamentale et la 5ème harmonique montrant l'afflux

Figue. 1. Courbe temporelle de θ_somme pour le fondamental (brun) et 5ème harmonique (vert). Les deux restent dans la zone d’afflux de −90° à +90° tout au long de la période de mesure., confirmer que l'installation consomme à la fois la puissance fondamentale et la 5ème harmonique. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

La vague fondamentale est en flux entrant – c’est attendu, car l'installation consomme de l'énergie réelle du réseau. La 5ème harmonique est également principalement un afflux, indiquant que la source dominante de 5ème harmonique se trouve ailleurs sur le réseau et que cette installation la reçoit. Cette installation est victime d'une pollution de 5ème harmonique, ce n'est pas une source.

3ème harmonique - Sortie

Courbe temporelle de la différence de phase tension-courant harmonique pour la 3ème harmonique montrant la sortie

Figue. 2. Courbe temporelle de θ_somme pour la 3ème harmonique (rouge). L'angle de phase tombe systématiquement en dehors de la zone d'afflux de ±90°, dans la plage de -180° à -90° ou de +90° à +180° — confirmant la sortie de la 3ème harmonique. Cette installation génère un courant de 3ème harmonique qui circule dans le réseau. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

La 3ème harmonique est la sortie — cette installation est une source de 3ème harmonique. Notez que la 3ème harmonique est caractéristique des charges non linéaires monophasées (alimentations à découpage, éclairage fluorescent) plutôt que des variateurs triphasés à 6 impulsions. Sa présence comme harmonique de sortie sur un 6.6 Le circuit kV suggère une charge monophasée du côté secondaire des transformateurs de distribution alimentés par ce circuit.

Remarque sur le bouclage à 180° dans les tracés temporels

Les lignes verticales visibles dans les tracés temporels où la différence de phase semble sauter entre +180° et −180° (ou vice versa) ne sont pas des discontinuités dans le comportement harmonique - ils sont un artefact de la représentation à ± 180° d'un angle cyclique. Quand θ_somme franchit la limite +180°/−180°, l'écran s'enroule autour. L'angle de phase sous-jacent est continu; seule la représentation affichée saute. Il est important de le reconnaître lors de l'interprétation des tracés temporels : un angle de phase qui traverse 180 ° est toujours systématiquement dans la zone d'écoulement., ne pas basculer entre l'entrée et la sortie.[1]

7ème harmonique - Sortie

Courbe temporelle de la différence de phase tension-courant harmonique pour la 7ème harmonique montrant la sortie

Figue. 3. Courbe temporelle de θ_somme pour la 7ème harmonique (bleu). Sortie confirmée — l'angle de phase reste en dehors de la zone d'entrée de ±90°. Le bouclage à 180° est visible sous forme de transitions verticales dans la trace. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

La 7ème harmonique est également la sortie. Avec la sortie de la 3ème harmonique, cela suggère que l'installation contient une charge non linéaire importante générant un courant harmonique dans le 6.6 réseau kV. L’afflux de 5ème harmonique observé plus tôt indique que la 5ème harmonique sur ce bus vient d’ailleurs – la propre génération de 5ème harmonique de l’installation locale est masquée ou dominée par une source externe de 5ème harmonique..

Exemples de jugement 1 et 2 — Application du θ_moyenne afficher

Exemple de jugement 1 — Affichage du tracé du temps harmonique HIOKI PQA HiVIEW Pro θavg

Figue. 4. Exemple de jugement 1 - je_moyenne tracé du temps harmonique dans HIOKI PQA HiVIEW Pro. L'affichage de l'angle de phase moyen fournit une base plus claire pour la détermination du débit entrant/sortant que le θ brut_somme valeurs point par point. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

Exemple de jugement 2 — Affichage du tracé du temps harmonique HIOKI PQA HiVIEW Pro θavg

Figue. 5. Exemple de jugement 2 - je_moyenne tracé du temps harmonique. Un deuxième scénario démontrant l'application de la méthodologie de jugement d'entrée/sortie à l'aide de l'affichage de l'angle de phase moyen. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

Affichage de l'analyse harmonique HIOKI PQA HiVIEW Pro montrant les résultats de différence de phase

Figue. 6. Affichage de l'analyse harmonique HIOKI PQA HiVIEW Pro — vue tabulaire des résultats de différence de phase tension-courant harmonique par ordre harmonique. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

Affichage récapitulatif des entrées/sorties harmoniques HIOKI PQA HiVIEW Pro

Figue. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro affichage récapitulatif des résultats du jugement d'entrée/sortie d'harmoniques pour tous les ordres d'harmoniques surveillés. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

Figue. 8. Tracé temporel harmonique HIOKI PQA HiVIEW Pro avec indicateurs de zone d'entrée/sortie — les limites de ± 90° sont marquées, permettant une détermination visuelle directe de la direction harmonique à partir du θ_moyenne tracer. Source: HIOKI E.E. Corporation.[1]

05 Cadre réglementaire japonais: Limites de courant de sortie harmonique

Le Japon possède l'un des cadres nationaux les plus développés pour l'attribution harmonieuse des responsabilités au niveau de la distribution.. Le ministère de l'Économie et de l'Industrie a publié en septembre ses lignes directrices sur les contre-mesures de dissuasion des harmoniques. 1994 — établissant des limites qui s'appliquent spécifiquement au courant de sortie harmonique provenant des clients côté demande recevant une alimentation à haute ou très haute tension.[2]

Limites de distorsion de tension

6.6 système kV: Distorsion de tension harmonique totale ≤ 5%
Système à très haute tension: Distorsion de tension harmonique totale ≤ 3%

Limites de courant de sortie harmonique

La directive japonaise exprime les limites de courant harmonique en milliampères par kilowatt de puissance souscrite — une normalisation qui rend les limites indépendantes de la taille du client et directement proportionnelles au contrat d'électricité du client.. Les valeurs limites supérieures sont spécifiées par ordre harmonique, avec des limites inférieures pour les harmoniques d'ordre supérieur. La normalisation par kW signifie qu'un client plus important dispose proportionnellement d'une plus grande tolérance de courant harmonique, mais doit également se conformer indépendamment à chaque ordre harmonique..[2]

Perspective des services publics - la normalisation par kW

La normalisation japonaise de la puissance souscrite par kW est une approche élégante de l'attribution harmonieuse des responsabilités.. Il reconnaît que les gros clients consomment plus de courant et disposent donc d'un budget de courant harmonique absolu plus important, mais ce budget évolue en fonction de leur puissance souscrite., pas avec leur performance harmonique réelle. Un client qui installe une atténuation efficace des harmoniques peut bien fonctionner dans les limites de son allocation par kW, même à des niveaux de puissance souscrits importants.. Un client sans atténuation dépassera la limite quelle que soit la taille à mesure que la fraction de charge non linéaire augmente. La normalisation offre des règles du jeu équitables pour toutes les tailles de clients.

Ce cadre réglementaire basé sur la direction – limitant les sorties plutôt que le courant harmonique total – constitue la principale distinction par rapport à l'approche de couplage par point commun de l'IEEE 519.. IEEE 519 limite le courant harmonique qu'un client injecte au PCC, ce qui est effectivement une limite de sortie. La directive japonaise rend explicite le concept de débit sortant et l'applique au niveau de l'ordre harmonique individuel avec une normalisation par kW.. La méthodologie de mesure décrite dans cet article — θ_somme analyse d'angle de phase - est l'outil qui rend cette régulation basée sur le débit vérifiable.

06 Perspective PQ: La direction comme outil de diagnostic

6.1 Quand l’analyse de direction change le diagnostic

L’implication la plus importante de l’analyse de la direction harmonique est qu’une mesure de THD élevée à l’entrée de service d’un client ne signifie pas automatiquement que le client en est responsable.. Si le courant harmonique est entrant – provenant du réseau – le client est une victime et la source se trouve ailleurs sur le départ.. Exiger du client qu'il installe des filtres d'harmoniques dans cette situation est un gaspillage d'argent et peut ne pas améliorer du tout la situation des harmoniques du réseau..

Inversement, un client avec des niveaux de THD modestes à son entrée de service peut toujours être une source de sortie d'harmoniques importante si sa puissance souscrite est importante - la limite japonaise par kW pourrait être dépassée même lorsque le THD absolu semble acceptable. L'analyse de la direction à chaque ordre harmonique est le seul moyen de caractériser correctement la responsabilité.

6.2 Application pratique dans une recherche harmonique

Une séquence pratique d’investigation harmonique utilisant cette méthodologie:

Mesurez la tension et le courant harmoniques au point d'intérêt – confirmez que les amplitudes harmoniques sont suffisamment importantes pour justifier une analyse de direction.
Appliquer le θ_somme critère à chaque ordre harmonique d’intérêt
Identifiez les ordres harmoniques entrants (source réseau) et qui sont des sorties (source locale)
Pour les harmoniques de sortie: identifier les charges non linéaires locales responsables et évaluer les options d'atténuation
Pour les harmoniques d’afflux: enquêter sur le réseau à la recherche de la source responsable : d'autres clients sur le même chargeur, conditions de résonance du réseau, équipement utilitaire

6.3 Connexion à la série d'articles IPQDF

Les articles techniques de cette série (Articles 1 à 3) établi les signatures harmoniques des variateurs à 6 impulsions et leur interaction avec les composants du réseau. Les études de cas ont démontré ce qui se passe lorsque les harmoniques ne sont pas atténuées.. Cette référence technique complète une autre dimension du tableau: la méthodologie de mesure nécessaire pour déterminer si une installation donnée est une source d'harmoniques ou un récepteur d'harmoniques — la condition préalable pour attribuer la responsabilité et sélectionner la stratégie d'atténuation appropriée.

Le je_somme la méthode d'angle de phase décrite ici est spécifique à l'instrument dans sa mise en œuvre (HIOKI PQA HiVIEW Pro dans cet exemple) mais le principe sous-jacent – selon lequel la direction du courant harmonique est déterminée par la relation de phase entre la tension harmonique et le courant harmonique – est universel.. Tout analyseur de qualité d'énergie qui signale les angles de phase harmoniques peut prendre en charge cette analyse., avec une interprétation appropriée des conventions de mesure utilisées par cet instrument.

À retenir

L'amplitude harmonique vous indique l'ampleur de la distorsion. La direction harmonique vous indique qui est responsable. Les deux mesures sont nécessaires avant qu’une décision de remédiation puisse être prise en toute confiance.. Une mesure THD sans analyse de direction est une recherche harmonique incomplète.

Références

[1] HIOKI E.E. Corporation, “Entrée et de sortie des harmoniques,” en Guide pour la mesure de qualité de l'énergie, HIOKI E.E. Corporation, Nagano, Japon. Disponible: hioki.com
[2] Ministère de l'Économie, Commerce et Industrie (METTRE), Japon, “Ligne directrice pour les contre-mesures de dissuasion des harmoniques côté demande qui reçoit de la haute tension ou de la très haute tension,” Rapport officiel, Septembre 30, 1994.