Émissions supraharmoniques des onduleurs photovoltaïques : un défi émergent en matière de qualité de l'énergie
| Phénomène | Supraharmonique (SH) émissions dans la plage de 2 à 150 kHz provenant des onduleurs photovoltaïques connectés au réseau |
| Source | Commutation PWM dans les onduleurs photovoltaïques haute fréquence modernes utilisant des commutateurs à semi-conducteurs SiC et GaN |
| Types d’émissions observés | Bande étroite (à fréquence de découpage et multiples) · Haut débit · Variable dans le temps |
| Paradoxe clé | De nouveaux semi-conducteurs à large bande interdite réduisent les harmoniques classiques (<2 kHz) mais augmente les supraharmoniques (>2 kHz) |
| Statut réglementaire | Il n'existe actuellement aucune limite d'émission spécifique pour la plage de 2 à 150 kHz — écart de normes |
| Etalon de mesure | CEI 61000-4-7 et CEI 61000-4-30 — tous deux inadéquats pour la caractérisation SH; en révision |
| Risque d'intermodulation | Onduleur photovoltaïque + Les fréquences de commutation des chargeurs EV interagissent pour créer de nouvelles composantes de fréquence qui ne sont présentes dans aucun des deux appareils seuls. |
| Effets connus | Chauffage du câble · Interférence de la lampe LED · Vieillissement du condensateur · Défaillance de la communication API · Dysfonctionnement du circuit de commande |
01 Contexte — La nouvelle frontière de la qualité de l'énergie
Les ingénieurs chargés de la qualité de l'énergie ont passé des décennies à caractériser et à atténuer les harmoniques dans la plage allant jusqu'à 2 kHz — le cinquième, septième, onzième, ordres de treizième harmonique qui sont la signature des redresseurs à six impulsions, fours à arc, et transformateurs saturés. Les méthodes de mesure sont bien établies, les normes sont complètes, et la technologie d'atténuation est mature. Au-dessus de 2 kHz, cependant, le paysage change fondamentalement.
Supraharmoniques - perturbations électriques dans le 2 kHz à 150 gamme kHz - ne sont pas un phénomène nouveau, mais ils connaissent une croissance rapide. La prolifération des appareils électroniques de puissance connectés au réseau: onduleurs photovoltaïques, Chargeurs EV, systèmes de stockage par batterie, Pilotes de LED, et entraînements à vitesse variable utilisant des commutateurs semi-conducteurs modernes à large bande interdite, remplit la gamme de fréquences supraharmoniques avec des émissions que le cadre de mesure de la qualité de l'énergie existant n'a pas été conçu pour capturer et qu'aucune norme réglementaire actuelle ne limite.[1]
Cette étude de cas présente les résultats de la recherche menée par Pinto, Gracel, et Baptista (2024) à l'Université de Trás-os-Montes (Portugal) et Technikum Vienne (Autriche), analyser les émissions supraharmoniques de plusieurs onduleurs photovoltaïques dans un réseau électrique selon différents scénarios de pénétration. L'étude fournit l'un des comptes rendus publiés les plus clairs des caractéristiques des émissions, mécanismes de propagation, et potentiel d'interférence des supraharmoniques générées par PV à faible- et réseaux moyenne tension.
L'électronique de puissance de la génération précédente utilisait des diodes et des thyristors - des dispositifs de commutation passifs limités à la commutation de fréquence de ligne. Ils produisaient une distorsion harmonique substantielle dans la plage de 0 à 2 kHz. Les onduleurs modernes utilisent du carbure de silicium (SiC) et nitrure de gallium (GaN) commutateurs fonctionnant à des fréquences de commutation de 20 à 100 kHz ou plus. Ces dispositifs réduisent considérablement la distorsion harmonique basse fréquence, mais les fréquences de commutation élevées déplacent le spectre d'émission vers le haut dans la plage supraharmonique., où la mesure est plus difficile et où les limites réglementaires n’existent pas encore.[1]
02 Que sont les supraharmoniques?
Les supraharmoniques sont des composantes de fréquence présentes dans la forme d'onde de tension ou de courant du système électrique dans la plage allant de 2 kHz à 150 kHz. Ils sont distincts des deux harmoniques classiques (multiples entiers de 50/60 Hz fondamental, généralement adressé jusqu'à la 40ème harmonique - 2 kHz à 50 Hz) et des interférences électromagnétiques radiofréquences ci-dessus 150 kHz, qui est abordé par les normes CISPR.[1]
La gamme supraharmonique se situe entre deux domaines bien régulés – et passe à travers le fossé qui les sépare. Ni le cadre des normes de qualité de l'énergie (CEI 61000 série, IEEE 519) ni le cadre de compatibilité électromagnétique (CISPR) couvre de manière adéquate cette plage avec des limites d'émission spécifiques pour l'électronique de puissance connectée au réseau.[1]
Types d'émission dans la gamme supraharmonique
L'étude a identifié trois types d'émissions distincts des onduleurs photovoltaïques, chacun avec des caractéristiques et un comportement de propagation différents:[1]
- Émissions à bande étroite — concentré à la fréquence de découpage du variateur et à ses multiples entiers. Pour un onduleur PV commutant à 20 kHz, les émissions à bande étroite apparaissent à 20 kHz, 40 kHz, 60 kHz, etc. Ceux-ci sont déterministes et directement liés à la fréquence de modulation PWM
- Émissions haut débit — réparti sur une large gamme de fréquences, généralement causé par les transitoires de commutation et les temps de montée et de descente finis des commutateurs à semi-conducteurs. Plus la commutation est rapide (comme avec les appareils SiC et GaN), plus le contenu haute fréquence du transitoire est large
- Émissions variables dans le temps — changeant avec l'irradiation solaire, charge, et le point de fonctionnement de l’onduleur. À faible niveau de puissance ou pendant les passages nuageux, le MPPT (suivi du point de puissance maximale) l'algorithme modifie le modèle de commutation, modifier le spectre d'émission de manière dynamique
03 Sources et problème d'intermodulation
Commutation PWM - le mécanisme de génération principal
Les émissions supraharmoniques d'un onduleur photovoltaïque proviennent de la modulation de largeur d'impulsion. (PWM) processus de commutation qui convertit la sortie CC du panneau photovoltaïque en sortie CA à fréquence réseau. Chaque événement de commutation (activation ou désactivation de l'interrupteur à semi-conducteur) crée un courant transitoire dont le contenu fréquentiel s'étend bien au-dessus de la fréquence de commutation fondamentale.. Plus la transition de commutation est rapide (caractérisé par dI/dt et dV/dt), plus le contenu fréquentiel est élevé et plus le spectre d'émission est large.[1]
Lors de la mesure des émissions supraharmoniques au PCC, l'instrument mesure toujours la somme des émissions primaires (de l'appareil testé) et émissions secondaires (courants supraharmoniques provenant d'autres appareils du réseau circulant à travers le point de mesure). This distinction is critical for assigning responsibility correctly — and it is one reason why supraharmonic source attribution is significantly more complex than classical harmonic source identification. The impedance network between devices determines how much of each device’s primary emissions appears at every other measurement point.[1]
Intermodulation — when two devices interact
One of the most important findings in current supraharmonic research is the intermodulation phenomenon. When two power electronic devices with different switching frequencies are connected to the same network — for example, a PV inverter switching at 20 kHz and an EV charger switching at 32 kHz - leurs émissions supraharmoniques interagissent via l'impédance du réseau pour produire de nouvelles composantes de fréquence aux fréquences somme et différence (52 kHz, 12 kHz, 72 kHz, etc) qui n'ont pas été émis par aucun des appareils individuellement.[1]
Ce phénomène, bien connu en télécommunications sous le nom de distorsion d'intermodulation, est désormais observé dans les réseaux de distribution d'énergie à mesure que la densité des appareils à haute fréquence de commutation augmente.. Cela signifie que l'environnement supraharmonique en tout point du réseau n'est pas simplement la superposition d'émissions d'appareils individuels — il s'agit d'un mélange complexe d'émissions primaires., émissions secondaires, et produits d'intermodulation dont la composition change avec la population d'appareils connectés.
The intermodulation problem means that supraharmonic emissions from a distribution feeder with multiple PV inverters and EV chargers cannot be predicted by summing individual device emission measurements. The network impedance, the spatial distribution of devices, and the relationship between their switching frequencies all matter. Cela nécessite une approche fondamentalement différente de l'évaluation supraharmonique des méthodes de sommation harmonique utilisées pour les harmoniques classiques..
04 Effets sur les équipements et les réseaux
Les émissions supraharmoniques provoquent une série d’effets sur les composants du système électrique et les équipements connectés, dont certains sont analogues aux effets harmoniques classiques et dont certains sont spécifiques à la gamme de fréquences supérieures:[1]
- Câble chauffant — effet peau: Aux hautes fréquences, le courant se concentre sur la surface du conducteur (effet de peau), réduire la section efficace et augmenter la résistance efficace. Un câble transportant un courant supraharmonique important chauffe plus que ce que sa charge à fréquence industrielle pourrait prédire.. Les calculs thermiques basés sur le courant nominal à fréquence industrielle ne sont pas conservateurs en présence d'un contenu supraharmonique important.
- Vieillissement des condensateurs: Les condensateurs présentent une faible impédance aux hautes fréquences, dessiner des courants supraharmoniques proportionnellement à la fréquence. Les pertes diélectriques aux fréquences supraharmoniques peuvent dépasser largement les pertes à la fréquence industrielle., accélère la dégradation de l’isolation et réduit la durée de vie. Les condensateurs électrolytiques en aluminium dans les équipements d'éclairage sont particulièrement vulnérables
- Interférence de la lampe LED: Les drivers de LED sont sensibles aux interférences haute fréquence sur la tension d'alimentation. La distorsion supraharmonique peut provoquer une variation perceptible de la puissance lumineuse des LED – un mécanisme de scintillement différent du scintillement de fluctuation de tension de 8 à 10 Hz abordé par la CEI. 61000-4-15, et non capturé par le scintillement standard
- Communication par ligne électrique (PLC) ingérence: Systèmes de comptage intelligents, Communication SCADA, et les signaux de réponse à la demande utilisent souvent des fréquences porteuses de lignes électriques dans la plage supraharmonique (généralement 9 à 150 kHz). Les émissions supraharmoniques des onduleurs photovoltaïques et des chargeurs de véhicules électriques peuvent submerger ces signaux, provoquant des pannes de communication dans l’infrastructure des réseaux intelligents
- Dysfonctionnement du circuit de commande: Les émissions haute fréquence peuvent se coupler aux circuits de contrôle et de protection par induction électromagnétique ou par chemins conduits., provoquant un fonctionnement parasite du relais, erreurs de mesure, ou des défauts de communication
- Bruit audible: Fréquences supraharmoniques dans la gamme 20 Hz – 20 kHz se situent dans la plage auditive humaine et peuvent provoquer un bruit audible provenant des transformateurs., câbles, et autres composants magnétiques
Les systèmes intelligents de mesure et de réponse à la demande, qui sont fondamentaux pour la gestion moderne du réseau et le contrôle de la charge, dépendent des communications par lignes électriques dans exactement la gamme de fréquences où les émissions supraharmoniques sont le plus concentrées.. Un système de distribution équipé d'onduleurs photovoltaïques et de chargeurs de véhicules électriques pour réduire les émissions de carbone peut simultanément dégrader l'infrastructure de communication qui gère ces appareils.. Il ne s'agit pas d'une préoccupation hypothétique : des échecs de communication CPL dans les zones à forte pénétration photovoltaïque sont déjà signalés par les opérateurs de réseau..
05 Mesure – L’écart entre les normes
La mesure des supraharmoniques nécessite des taux d'échantillonnage supérieurs 300 kHz (par le critère de Nyquist, pour capturer le contenu du signal jusqu'à 150 kHz) — nettement supérieur à ce que proposent les instruments classiques de mesure des harmoniques, qui échantillonne généralement à 12–16 kHz, sont conçus pour fournir. Cela signifie que la plupart des moniteurs de qualité d'énergie existants, même les instruments de classe A conformes à la norme CEI 61000-4-30 — ne capture pas la gamme supraharmonique.[1]
Normes de mesure actuelles et leurs limites
- CEI 61000-4-7: Spécifie la mesure harmonique et interharmonique à l'aide 200 Bandes de fréquence Hz jusqu'à 2 kHz. Ne traite pas la gamme supraharmonique
- CEI 61000-4-30: Spécifie les méthodes de mesure PQ, y compris une méthode de regroupement non continu utilisant 2 bandes de fréquences kHz pour les fréquences supérieures 2 kHz. Cela fournit uniquement 8% couverture du signal - 92% du signal supraharmonique n’est pas capturé. La 2 Le regroupement de bandes kHz perd également la résolution de fréquence qui est essentielle pour identifier les fréquences de commutation des appareils individuels.. Cette norme est actuellement en cours de révision par la CEI SC 77A WG9 spécifiquement pour remédier à ces lacunes.[1]
- CISPR 16: Norme de mesure des interférences électromagnétiques utilisée ci-dessus 9 kHz. Conçu pour les EMI conduites et rayonnées provenant d'équipements, pas pour la surveillance PQ du système électrique. Utilise des détecteurs de quasi-crête et de moyenne plutôt que les mesures RMS appropriées pour l'évaluation PQ
Une enquête PQ réalisée avec un instrument de classe A entièrement conforme à la CEI 61000-4-30 rapportera les paramètres de tension et de courant de DC à 2 kHz avec une grande précision. Au-dessus de 2 kHz, le même instrument fournit des informations fragmentaires, données à basse résolution qui manquent la majorité de l'énergie du signal supraharmonique. Le rapport d’enquête sera techniquement correct – et ne parviendra absolument pas à caractériser l’environnement supraharmonique.. Il ne s’agit pas d’une lacune de l’instrument ou de la pratique de mesure, mais d’une lacune dans la norme elle-même., que la CEI s'emploie activement à combler.
06 Principales conclusions de l'étude
L'étude de Pinto, Gracel, et Baptista ont analysé les signaux supraharmoniques réels des systèmes photovoltaïques dans plusieurs scénarios de réseau, examiner la propagation des émissions et les corrélations entre les différents modèles d'onduleurs photovoltaïques et les niveaux de pénétration. Les principales conclusions étaient:[1]
- Chaque modèle d'onduleur photovoltaïque possède une signature d'émission distincte — la fréquence de commutation et ses harmoniques apparaissent comme des pics caractéristiques à bande étroite dans le spectre supraharmonique, permettant d'identifier les modèles d'onduleurs individuels à partir de leur modèle d'émission. Une émission constante à bande étroite à la fréquence de commutation (par exemple, 20 kHz) est l'identifiant le plus fiable
- Les émissions du haut débit varient selon les conditions d’exploitation — à charge partielle (faible rayonnement solaire), l'algorithme MPPT modifie le modèle de commutation, et le profil d'émission à large bande change en conséquence. Ce caractère variable dans le temps rend trompeuse la caractérisation dans une seule condition de fonctionnement.
- Les produits d'intermodulation sont mesurables — lorsque plusieurs onduleurs photovoltaïques avec des fréquences de commutation différentes sont présents sur le même réseau, les produits d'intermodulation aux fréquences somme et différence sont détectables, confirmant que l'environnement supraharmonique n'est pas simplement la somme d'émissions individuelles
- La propagation dépend de l'impédance du réseau — les émissions supraharmoniques se propagent à travers le réseau en fonction de la distribution d'impédance. Charges capacitives (y compris les condensateurs de correction du facteur de puissance) présenter une faible impédance aux fréquences supraharmoniques et générer des courants supraharmoniques importants, amplifiant potentiellement les niveaux d’émissions locales
- Aucun cadre réglementaire actuel ne répond de manière adéquate aux conclusions — l'étude conclut qu'une réglementation spécifique pour la gamme 2–150 kHz est nécessaire de toute urgence, couvrant à la fois les limites d’émission et la méthodologie de mesure
L’émission à bande étroite à la fréquence de commutation de l’onduleur photovoltaïque constitue le marqueur d’identification de champ le plus fiable.. Si un analyseur de qualité d'énergie avec une bande passante suffisante (300 kHz + taux d'échantillonnage) est disponible, la recherche de pics à bande étroite dans la plage de 10 à 100 kHz révélera les fréquences de commutation des onduleurs et des chargeurs connectés. Les produits d'intermodulation - aux fréquences somme et différence - apparaissent comme des pics supplémentaires à bande étroite qui se déplacent lorsque la fréquence de commutation d'un appareil change., ce qui les distingue des émissions primaires.
07 Perspective de la qualité de l'énergie
Les supraharmoniques représentent la prochaine frontière de l’ingénierie de la qualité de l’énergie – un phénomène qui prend de l’importance au moment même où les outils permettant de la mesurer et de la limiter sont encore en cours de développement.. Le parallèle avec les harmoniques classiques des années 1980 et du début des années 1990 est frappant.: une nouvelle classe de charges non linéaires (alors, Systèmes VFD et UPS; maintenant, Onduleurs photovoltaïques et chargeurs de véhicules électriques) introduit des perturbations que le cadre de mesure et de réglementation existant n’a pas été conçu pour gérer, et la communauté des ingénieurs s'empresse de caractériser le problème avant qu'il ne devienne ingérable..
Du point de vue de la distribution de services publics, l'effet le plus immédiat est la menace pour les communications des porteurs de lignes électriques. Comptage intelligent, réponse à la demande, et les systèmes de contrôle de réseau qui dépendent des fréquences PLC dans la plage de 9 à 150 kHz sont directement vulnérables à la même plage de fréquences où les émissions supraharmoniques sont concentrées. À mesure que la pénétration du photovoltaïque et la densité des chargeurs de véhicules électriques augmentent sur les départs de distribution BT, le rapport signal/bruit des communications CPL se dégradera, ce qui pourrait nuire à l'infrastructure du réseau intelligent destinée à gérer la transition énergétique.
Power quality engineers who built their practice on harmonic measurements up to the 40th order need to be aware that the PQ problem space is now extending above 2 kHz — and that the instruments, standards, and mitigation tools for this range are still maturing. A PQ assessment that does not address supraharmonics is not wrong — it is simply incomplete for any site with significant PV generation or EV charging. The question is not whether supraharmonics matter, but when the measurement tools and regulatory framework will catch up with the physical reality that is already present on the network. Based on the pace of standards development at IEC SC 77A WG9, that convergence is likely within the next 3–5 years. Les ingénieurs qui se familiarisent désormais avec la gamme supraharmonique seront bien placés lorsqu'elle deviendra une partie obligatoire de chaque enquête PQ..
Références
- Pinto J., Grasel B, Baptista J.. “Analyse de l'émission de supraharmoniques dans les réseaux électriques: Une étude de cas des onduleurs photovoltaïques.” Électronique, vol. 13, pas. 24, p. 4880, 2024. DOI: 10.3390/électronique13244880. Accès libre sous CC BY 4.0.
- CEI 61000-4-7:2009+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 4-7: Techniques d'essai et de mesure — Guide général sur les mesures et l'instrumentation des harmoniques et des interharmoniques. CEI, Genève.
- CEI 61000-4-30:2015+AMD1:2021. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 4-30: Techniques d'essai et de mesure — Méthodes de mesure de la qualité de l'énergie. CEI, Genève.
- CEI 61000-2-2:2002. Compatibilité électromagnétique (EMC) - Partie 2-2: Environnement — Niveaux de compatibilité pour les perturbations conduites basse fréquence et la signalisation dans les systèmes publics d'alimentation électrique basse tension. CEI, Genève.
- Rönnberg SK, Le ballon MHJ. “Problèmes de qualité de l’énergie dans le système électrique du futur.” Le journal de l'électricité, vol. 29, pas. 10, pp. 49-61, 2016.
Pinto J., Grasel B, Baptista J.. “Analyse de l'émission de supraharmoniques dans les réseaux électriques: Une étude de cas des onduleurs photovoltaïques.” Électronique, 13(24), 4880, 2024.
DOI: 10.3390/électronique13244880 · Lire l'article original sur MDPI →
Publié en libre accès sous CC BY 4.0. Cette étude de cas est présentée sous forme de synthèse et de commentaire.. La section Perspective PQ (Section 7) est le commentaire éditorial original de l'IPQDF par Denis Ruest, M.Sc.. (Appliqué), P.Eng. (ret.). IPQDF ne revendique pas la paternité de la recherche originale.