Interharmoniques – La perturbation de la qualité de l’énergie qui n’apparaît pas sur les analyseurs d’harmoniques standard
| Définition | Composantes de fréquence qui ne sont PAS des multiples entiers de la fondamentale - par exemple. 75 Hz, 130 Hz, 267 Hz sur un 50 Système Hz |
| Définition de la CEI | CEI 61000-2-1: “Entre les harmoniques de la tension et du courant à fréquence industrielle, d'autres fréquences peuvent être observées qui ne sont pas un nombre entier du fondamental” |
| Sources classiques | Cycloconvertisseurs · Fours à arc · Entraînements AC/DC à vitesse variable · Fours à induction · Charges pulsées non synchronisées avec le fondamental |
| Nouvelles sources DER | Onduleurs photovoltaïques (Ondulation de l'algorithme MPPT) · Éoliennes (fréquence de glissement) · Chargeurs de véhicules électriques (asymétrie de commutation) · Convertisseurs HVDC (interactions de boucle de contrôle) |
| Effet le plus dangereux | Flicker - un interharmonique à la fréquence fIH produit un scintillement de tension à la fréquence de battement |faIH - 50| Hz. À une fréquence de battement de 0 à 15 Hz, le scintillement se situe dans la plage de sensibilité visuelle humaine maximale |
| Cas de terrain | Installation BT avec panneau PV + Chargeur de VE + micro-ondes — le fonctionnement simultané produit des interharmoniques stochastiques provoquant un scintillement de la lumière et des fluctuations de tension du bus CC |
| Problème de mesure | Analyseurs d'harmoniques standards basés sur FFT (CEI 61000-4-7) supposent des multiples entiers de la fondamentale - ils interprètent à tort les interharmoniques comme du bruit étalé plutôt que comme des composantes tonales discrètes |
| Statut réglementaire | CEI 61000-3-6 fournit des niveaux de planification pour les interharmoniques en MT/HT — mais les limites d'émission pour les équipements individuels en BT ne sont pas établies |
01 Que sont les interharmoniques?
L'analyse harmonique classique suppose que tout le contenu non sinusoïdal des formes d'onde de tension et de courant du système électrique est constitué de multiples entiers de la fréquence fondamentale - 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz, 250 Hz, et ainsi de suite à 50 Hz. Cette hypothèse est valable pour le fonctionnement en régime permanent de la plupart des charges non linéaires traditionnelles.: un redresseur à 6 impulsions connecté à une alimentation CA rigide produit des courants harmoniques au 5ème, 7e, 11e, 13les commandes, et leur ampleur est relativement constante dans le temps.
Les interharmoniques sont des composants de fréquence qui brisent cette hypothèse. Ils se produisent à des fréquences qui ne sont pas des multiples entiers de la fondamentale — 75 Hz, 130 Hz, 183 Hz, 267 Hz, ou toute autre valeur entre les ordres harmoniques. CEI 61000-2-1 les définit précisément: “Entre les harmoniques de la tension et du courant à fréquence industrielle, d'autres fréquences peuvent être observées qui ne sont pas un nombre entier du fondamental. Ils peuvent apparaître sous forme de fréquences discrètes ou sous forme de spectre à large bande.”
Lorsqu'une composante interharmonique tombe en dessous de la fréquence fondamentale - par exemple, 35 Hz ou 20 Hz sur un 50 Système Hz - on l'appelle parfois un sous-harmonique. CEI 61000-2-1 note que “le terme sous-harmonique n'a pas de définition officielle mais est simplement un cas particulier d'interharmonique pour les composantes de fréquence inférieures à la fréquence du système électrique.. L'utilisation du terme composante de fréquence subsynchrone est préférée.” Les sous-harmoniques sont particulièrement problématiques car elles peuvent provoquer des résonances mécaniques dans les machines tournantes – oscillations de torsion de l’arbre de turbine, par exemple — à des fréquences inférieures au fondamental, où l'amortissement des vibrations standard n'est pas conçu pour fonctionner.
02 Sources – traditionnelles et émergentes
Les interharmoniques surviennent chaque fois qu'un dispositif de conversion de puissance traite de l'énergie à une fréquence qui n'est pas synchronisée avec la fréquence du secteur.. La fréquence de sortie du processus de conversion module la fréquence du secteur, produire des bandes latérales - composants interharmoniques - à des fréquences déterminées par la différence entre la fréquence de conversion et la fréquence du secteur et ses harmoniques.
| Type de source | Mécanisme de génération | Fréquences interharmoniques typiques | S'orienter |
|---|---|---|---|
| Cycloconvertisseurs | La conversion directe de fréquence AC/AC produit une sortie à une fréquence de sortie arbitraire fdehors — interharmoniques à |nfmains ± mfdehors| | Spectre continu — dépend de la vitesse de sortie | Héritage — laminoirs, gros disques |
| Fours à arc et à induction | Le courant d'arc chaotique crée une forme d'onde aléatoire non périodique — toutes les fréquences sont présentes simultanément | Large bande – spectre continu ci-dessous 2 kHz | Stable – toujours largement utilisé |
| VFD à vitesse variable | À des rapports de vitesse non entiers, La fréquence de sortie du VFD et les harmoniques battent par rapport à la fréquence du secteur – les interharmoniques apparaissent aux fréquences de battement | Varie en fonction de la vitesse du moteur — balaie continuellement pendant l'accélération | En croissance – dominant dans l’industrie |
| Onduleurs photovoltaïques (MPPT) | L'algorithme de suivi du point de puissance maximale perturbe périodiquement le point de fonctionnement : l'ondulation sur le bus CC crée une injection interharmonique à la fréquence de perturbation et à ses harmoniques. | Bandes latérales généralement de 5 à 100 Hz autour des harmoniques | Croissance rapide – nouvelle source dominante |
| Éoliennes | La vitesse variable du rotor crée une fréquence de glissement (farotor ≠fmains) — interharmoniques à nfmains ±fglisser | Varie en fonction de la vitesse du vent – généralement dans une plage de 45 à 55 Hz (presque fondamental) créer des rythmes | Croissance rapide — offshore, à terre |
| Chargeurs EV | L'asymétrie de fréquence de commutation et l'ondulation du bus CC créent des produits d'intermodulation, exacerbés lorsque la tension du réseau est elle-même déformée. | 2Bandes latérales de –10 Hz autour de la fondamentale et des harmoniques | Croissance rapide – résidentiel, commercial |
| Convertisseurs HVDC | Les interactions de boucle de contrôle entre les côtés AC et DC produisent des oscillations subsynchrones – des interharmoniques aux fréquences de boucle de contrôle | Subsynchrone (5–45 Hz) — potentiellement dangereux pour la stabilité du réseau | Croissance – une préoccupation majeure pour les GRT |
Sources interharmoniques traditionnelles - cycloconvertisseurs, les fours à arc étaient grands, identifiable, et généralement situés dans des installations industrielles où leur impact PQ pourrait être évalué et géré au point de connexion. Les nouvelles sources interharmoniques basées sur DER — onduleurs photovoltaïques, éoliennes, Les chargeurs EV – sont petits, nombreux, géographiquement réparti, et installé sans évaluation d’impact PQ individuelle. Chaque appareil produit des émissions interharmoniques inférieures à toute limite d'équipement individuel.. Mais des milliers d'appareils fonctionnant simultanément sur un même départ BT, chacun avec une émission interharmonique stochastique à des fréquences légèrement différentes, créer un environnement interharmonique composite qui n'était pas prévu dans la conception de l'infrastructure BT existante et qui n'est pas caractérisé par les équipements de surveillance actuels.
03 Effets — Scintillement, Dysfonctionnement de l'équipement, et oscillations de la grille
Flicker — l'effet le plus sensible
L'effet le plus important et le mieux documenté des interharmoniques est le scintillement de tension.. Une composante interharmonique à la fréquence fIH module la tension fondamentale, produisant des variations d'amplitude à la fréquence de battement |faIH –ffondamental|. Sur un 50 Système Hz, un interharmonique à 55 Hz produit un scintillement à 5 Hz - carrément dans la plage de 1 à 15 Hz de la sensibilité visuelle humaine maximale telle que caractérisée par le scintillement CEI. An interharmonic at 62 Hz produces 12 Hz flicker. The flicker intensity is proportional to the interharmonic amplitude: even an interharmonic of only 5% amplitude can produce visible flicker that would fail the IEC 61000-4-15 flickermeter assessment.
Fluctuations de tension du bus CC dans les charges du redresseur
Les composants interharmoniques de la tension d'alimentation provoquent des variations cycle par cycle de la tension de crête observée par les redresseurs à diodes (les condensateurs du bus CC des variateurs de fréquence)., Systèmes UPS, et alimentations à découpage. Ces fluctuations de tension du bus CC provoquent une charge et une décharge inégales des condensateurs., produisant une ondulation sur le bus DC que le système de contrôle du variateur doit gérer. Aux amplitudes interharmoniques élevées, la fluctuation du bus CC peut déclencher une protection contre les surtensions ou les sous-tensions dans le variateur, provoquant des déclenchements inattendus qui apparaissent comme des défauts d'équipement plutôt que comme des problèmes de qualité d'alimentation..
Oscillations de grille et résonance subsynchrone
Interharmoniques subsynchrones - composants ci-dessous 50 Hz — peut exciter des résonances de torsion dans les grands arbres de turbogénérateur à des fréquences qui coïncident avec la fréquence de résonance mécanique naturelle du système arbre-générateur. Cette résonance subsynchrone (RSS) Ce mécanisme a provoqué des ruptures d'arbres catastrophiques dans des centrales thermiques connectées via des lignes de transmission à compensation en série.. Dans les systèmes électriques modernes, Les interactions de la boucle de contrôle du convertisseur HVDC peuvent produire des oscillations subsynchrones similaires qui se propagent à travers le réseau AC interconnecté – une préoccupation croissante à mesure que la capacité HVDC augmente..
04 Cas de terrain – PV, VE, et micro-ondes sur le même circuit BT
Une 2025 L'article dans MDPI Sustainability fournit une mesure concrète sur le terrain de la génération interharmonique dans une installation domestique basse tension moderne - en particulier, un circuit avec un panneau PV, un chargeur EV, et un four à micro-ondes fonctionnant simultanément. Cette combinaison représente l’environnement énergétique résidentiel standard émergent dans les pays développés avec une forte adoption des DER..
La principale conclusion de l’étude est que le fonctionnement simultané de ces trois appareils produit des effets stochastiques., émissions interharmoniques probabilistes - pas les émissions déterministes, modèles harmoniques prévisibles de charges non linéaires classiques. Les fréquences et amplitudes interharmoniques varient de manière aléatoire d'un cycle à l'autre., conduit par:
- Algorithme MPPT de l'onduleur photovoltaïque — l'algorithme de perturbation et d'observation fait varier le point de fonctionnement à une vitesse qui n'est pas synchronisée avec le secteur, injecter des interharmoniques à la fréquence de perturbation et ses bandes latérales avec les harmoniques du secteur
- Changement de chargeur EV — la fréquence de commutation du chargeur varie légèrement en fonction de l'état de charge de la batterie, produire des émissions interharmoniques qui balayent une plage de fréquences plutôt que de rester à une valeur fixe
- Magnétron micro-ondes — la fréquence d'oscillation du magnétron n'est pas précisément synchronisée avec le réseau, produisant un contenu interharmonique à large bande dans la plage de 50 à 3 000 Hz
L'étude démontre que lorsque plusieurs sources interharmoniques fonctionnent simultanément, le contenu interharmonique total peut être nettement supérieur à la somme des contributions individuelles — un effet d'agrégation superadditif. Cela se produit lorsque deux sources produisent des interharmoniques à des fréquences proches mais non identiques., créer un motif de battement qui amplifie l'amplitude composite à la fréquence de battement. Pour un onduleur photovoltaïque produisant une interharmonique à 53 Hz et un chargeur EV en produisant un à 54 Hz simultanément, le signal composite a un 1 Hz beat - une modulation d'amplitude très lente qui, à une amplitude suffisante, produit un scintillement perceptible à 1 Hz. Aucun appareil individuel ne produirait à lui seul ce scintillement.
La contribution méthodologique de l'article est un modèle probabiliste de génération interharmonique — caractérisant non seulement l'amplitude interharmonique moyenne mais aussi sa distribution statistique à l'aide de fonctions de densité de probabilité adaptées à des mesures en temps réel.. Cette approche probabiliste est plus précise que les modèles déterministes du pire cas et plus utile que de simples résumés statistiques.: il permet de prédire à quelle fréquence une amplitude interharmonique donnée sera dépassée, qui sont les informations nécessaires pour évaluer la conformité aux niveaux de planification exprimés en valeurs du 95e centile. Pour un 50 Système Hz, la CEI 61000-3-6 Le niveau de planification des interharmoniques en BT est 0.2% — le modèle probabiliste permet aux ingénieurs de déterminer si le 95ème percentile de la distribution interharmonique d'une installation donnée dépasse ce niveau.
05 Le défi de la mesure
Les interharmoniques présentent un problème de mesure fondamental qui ne se pose pas pour les harmoniques classiques: les méthodes de mesure standard sont conçues pour des composantes de fréquence entières et multiples et ne parviennent pas systématiquement à caractériser correctement les composantes non entières.
La CEI 61000-4-7 limitation
CEI 61000-4-7 — la méthode de mesure standard pour les analyseurs d'harmoniques — spécifie un 200 fenêtre de mesure ms (10 cycles à 50 Hz) et applique une DFT pour produire des sous-groupes harmoniques à 50 Intervalles Hz. Une composante spectrale exactement 75 Hz (à mi-chemin entre la 1ère et la 2ème harmonique à 50 Hz et 100 Hz) produit une sortie DFT répartie sur plusieurs groupes plutôt que concentrée dans un seul groupe - elle apparaît comme un bruit élevé entre les ordres harmoniques plutôt que comme un bruit discret. 75 Composante Hz. La norme attribue ensuite cette énergie interbin au sous-groupe harmonique le plus proche, gonfler potentiellement l'amplitude harmonique et obscurcir complètement l'interharmonique.
Le problème de résolution de fréquence
Une 200 La fenêtre de mesure ms fournit une résolution de fréquence de 1/0.2 = 5 Hz. Cela signifie des composants interharmoniques plus proches que 5 Les Hz séparés ne peuvent pas être résolus - ils apparaissent comme une seule caractéristique spectrale élargie. Pour les interharmoniques à 52 Hz et 54 Hz – tous deux plausibles à partir de différents appareils DER – ils sont insolubles dans un 200 fenêtre MS. Les résoudre nécessite des fenêtres de mesure plus longues: 1 deuxième pour 1 Résolution Hz, 10 secondes pendant 0.1 Résolution Hz. Mais des fenêtres plus longues augmentent la probabilité que la fréquence interharmonique ait changé pendant la mesure — un problème courant avec les interharmoniques générés par VFD dont la fréquence varie continuellement avec la vitesse du moteur..
| Méthode de mesure | Résolution de fréquence | Détection interharmonique | Standard |
|---|---|---|---|
| CEI 61000-4-7 TFD (200 ms) | 5 Hz | Mauvais – répartit les interharmoniques entre les bacs, identifié à tort comme un contenu harmonique | CEI 61000-4-7:2002+AMD1:2008 |
| DFT à fenêtre étendue (1 s) | 1 Hz | Bon pour les interharmoniques stationnaires - échoue pour les variations temporelles | Pratique de recherche |
| FFT interpolée / WIFFT | Résolution sub-Hz | Bon – réduit les fuites spectrales, meilleure estimation de l'amplitude interharmonique | Groupe de travail IEEE P519.1 |
| Méthodes temps-fréquence (ondelette, STFT) | Variable | Idéal pour les variations temporelles : capture l'évolution de la fréquence au fil du temps | Recherche – pas encore standardisée |
| Modèle probabiliste (Ajustement PDF) | Statistique | Idéal pour les sources stochastiques (PV, VE) — caractérise la distribution et pas seulement la moyenne | Durabilité de MDPI 2025 |
06 Perspective de la qualité de l'énergie
Les interharmoniques sont la perturbation de la qualité de l'énergie qui se situe entre tous les cadres standards. Leur fréquence est trop élevée pour l'analyse classique par résonance mécanique utilisée dans les études de stabilité des systèmes électriques.. Leur fréquence est trop basse pour l'analyse CEM, qui commence à 150 kHz. Ils ne sont pas pris en compte par les limites d'émission d'harmoniques de la CEI. 61000-3-2 (qui s'applique aux harmoniques entières jusqu'au rang 40). Et ils ne sont pas correctement caractérisés par la méthode de mesure standard de la CEI. 61000-4-7.
Le résultat est une classe de perturbations dont l’importance augmente à mesure que la pénétration des DER augmente – pilotée par les onduleurs photovoltaïques., éoliennes, Chargeurs EV, et liaisons HVDC - mais est systématiquement invisible pour l'infrastructure de mesure que la plupart des services publics et ingénieurs industriels ont déployée. Lorsqu'un analyseur PQ exécutant IEC 61000-4-7 montre une conformité harmonique propre sur un site qui génère un scintillement visible, les interharmoniques sont l'explication la plus probable pour laquelle l'analyse standard manquera.
Du point de vue de l'ingénierie PQ des services publics, le protocole pratique pour identifier les interharmoniques lorsque l'analyse harmonique standard ne parvient pas à expliquer un problème observé — scintillement sans source évidente, déclenchements inexpliqués du VFD, un bruit élevé entre les ordres harmoniques - est: d'abord, étendre la fenêtre de mesure au-delà 200 ms pour améliorer la résolution en fréquence; deuxième, regardez le spectre complet entre les ordres harmoniques plutôt que seulement les sous-groupes harmoniques; troisième, corréler la fréquence interharmonique avec les fréquences mécaniques ou de commutation connues des équipements connectés. Un VFD faisant tourner un moteur à 1,450 tr/min sur une machine à 4 pôles produit une fréquence de glissement de |50 - 1450/60| = |50 - 24.17| = 25.83 Hz — et interharmoniques à 50 ± 25.83 = 24.17 Hz et 75.83 Hz. Trouver une composante spectrale à 75.83 Hz sur la tension d'alimentation confirme le VFD comme source avec une grande confiance. Cette approche systématique transforme une situation inexpliquée “bruit de mesure” observation chez un patient diagnostiqué, problème PQ imputable.
Références
- Moyo RT et al.. “Agrégation dans le domaine temporel des interharmoniques provenant du fonctionnement parallèle de plusieurs sources durables et de véhicules électriques.” Durabilité, 17(3), 1214, Février 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Accès libre CC BY 4.0.
- CEI 61000-2-1:1990. Compatibilité électromagnétique — Description de l'environnement — Environnement électromagnétique pour les perturbations conduites basse fréquence et la signalisation dans les réseaux publics d'alimentation électrique. CEI, Genève. (Définition des interharmoniques.)
- CEI 61000-4-7:2002+AMD1:2008. Techniques d'essai et de mesure — Guide général sur les mesures et l'instrumentation des harmoniques et des interharmoniques pour les systèmes d'alimentation électrique et les équipements qui y sont connectés. CEI, Genève.
- CEI 61000-3-6:2008. Limites — Évaluation des limites d'émission pour le raccordement des installations déformantes à la MT, systèmes HT et THT. CEI, Genève.
- Groupe de travail de l'IEEE sur la modélisation et la simulation des harmoniques. “Interharmoniques: Théorie et modélisation.” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 22, pas. 4, pp. 2335–2348, 2007.
- Yong J., Chen L., Chen S.. “Modélisation des harmoniques de fond et des interharmoniques.” IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 26, pas. 2, pp. 900–909, 2011.
Source primaire: Moyo RT et al.. “Agrégation dans le domaine temporel des interharmoniques provenant du fonctionnement parallèle de plusieurs sources durables et de véhicules électriques.” Durabilité, MDPI, 17(3), 1214, Février 2025. DOI: 10.3390/su17031214. Accès libre CC BY 4.0. Références à l’appui: CEI 61000-2-1 (définition), CEI 61000-4-7 (mesures), Groupe de travail IEEE sur les harmoniques (2007).
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