Étude harmonique basée sur IEEE et UK G5/5

Réaliser une étude harmonique pour démontrer la conformité aux normes des services publics est un processus technique critique pour connecter les systèmes électriques modernes au réseau.. Avec la prolifération des ressources basées sur des onduleurs et des charges non linéaires, les services publics appliquent désormais strictement les normes comme IEEE 519 ou UK G5/5 pour garantir la qualité de l'alimentation et la stabilité du système.

Vous trouverez ci-dessous un guide technique qui décrit la méthodologie systématique pour mener une étude harmonique., basé sur les normes internationales en vigueur.

1. Concepts fondamentaux et cadre réglementaire

Avant de commencer les calculs, il est essentiel de comprendre les normes régissant et les phénomènes physiques en jeu.

1.1 Comprendre la distorsion harmonique

Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont les fréquences sont des multiples entiers de la fréquence fondamentale. (par exemple, 60 Hz ou 50 Hz) . Ils sont générés par des charges non linéaires telles que les variateurs de fréquence, Éclairage LED, et onduleurs. Ces distorsions peuvent entraîner une surchauffe des équipements, pertes du transformateur, et mauvais fonctionnement de la protection .

1.2 Normes applicables

Le choix de la norme dépend de votre situation géographique et des exigences des services publics:

IEEE Std 519-2014: Utilisé principalement en Amérique du Nord, cette norme définit la qualité de l'énergie au point de couplage commun (PCC). Il limite à la fois la distorsion harmonique individuelle (DIH) et la distorsion harmonique totale (THD) de tension et de courant .
Recommandation technique G5/5: Obligatoire au Royaume-Uni, cette norme exige une évaluation plus rigoureuse à la fois des (l’apport de votre plante) et totale (arrière-plan + incrémentiel) tensions harmoniques, souvent évalué jusqu'à la 100ème harmonique .

2. Acquisition de données et modélisation du système

The accuracy of a harmonic study is entirely dependent on the quality of input data.

2.1 Utility Data (Point of Common Coupling)

You must obtain the following from the Distribution Network Operator (DNO) or utility:

Background Harmonic Voltages: Typically based on two weeks of measured data at the PCC to capture normal operating variations .
Harmonic Impedance Loci: This describes how the network impedance varies with frequency. It is critical for identifying potential resonance. The preferred format is ungrouped envelopes for each harmonic order .
Grid Strength: Usually expressed as the Short Circuit Ratio (RCS) at the PCC.

2.2 Equipment Data (OEM)

The Original Equipment Manufacturer (OEM) must provide a Norton Equivalent Model of the plant (inverter, entraînement, etc). This model, essential for accurate simulation, consists of two parts for each frequency :

Norton Current Source: The magnitude and phase angle of the harmonic current injected by the device.
Norton Impedance: The internal impedance of the device, which affects how it interacts with grid resonances.

Fondamental (50 Hz) Harmoniques Distorted waveform

3e 12%

5e 20%

7e 10%

11e 5%

13e 4%

THD = 23.1% Crest factor = 1.38 Peak = 1.32 pu

Figure 1: Harmonics Example (Interactive)

Distorted waveform resulting from the combination of fundamental and harmonic frequencies (Fully interactive).

3. Step-by-Step Harmonic Analysis Methodology

Once the data is gathered, the study proceeds through a series of analytical steps using specialized software (par exemple, ETAP, DIgSILENT PowerFactory).

3.1 Frequency Scan Analysis

The first step is a frequency sweep to identify resonant conditions. The software injects a current of varying frequency and measures the impedance.

Objectif: Identify parallel (high impedance) and series (low impedance) resonance points.
Risk: If a resonance peak aligns with a characteristic harmonic frequency (par exemple, 5e, 7e, 11e), harmonic voltages will be amplified, leading to high distortion .

Impedance |Dans| (Ω) Inductive ωL Capacitive 1/ωC Résonance (300 Hz)

fa₁ = 60 Hz — fundamental fa_res = 300 Hz — 5th harmonic order Dans_pic ≈ 38 Ω — parallel resonance Q ≈ 8 — quality factor

Figure 2: Harmonics Resonance at the 5th harmonic (example)

Impedance vs. Frequency plot showing a parallel resonance peak.

Using the Norton model of the plant and the grid impedance, calculate the voltage distortion caused only by your new equipment.

3.2 Calculate Incremental Harmonic Voltages

Fa la r m vous l un : {En}_{h} = {Je}_{h} \times {Dans}_{h}

Formula: V_{h} = I_{h} \times Z_{h}

Où: En_h is the harmonic voltage, Je_h is the harmonic current, et Dans_h is the grid impedance at harmonic order h.

Compliance Check: This value must be below the "Incremental Limits" set by the utility or standard (par exemple, G5/5 Stage 1 limites) .

3.3 Calculate Total Harmonic Distortion

This combines the incremental contribution with pre-existing background distortion.

Total Voltage Harmonic Distortion (THDv): The root mean square (RMS) of all harmonic voltages, expressed as a percentage of the fundamental voltage.
Compliance Check: The THDv and individual harmonic voltages must remain below the "Total Limits" (par exemple, IEEE 519 limits for voltage quality or G5/5 Planning Levels) .

Système: 50 Hz 60 Hz Voltage level (IEEE 519):

Measured IHD (%En) IEEE 519 limit G5/5 planning level

THDv = - IEEE 519 THD limit = - Statut: -

Figure 3: Voltage Harmonics (Interactive)

Bar chart representation of individual harmonic voltages (VN) as a percentage of the fundamental .

G5/5 and similar standards require checking that the new connection does not negatively affect neighboring customers. This involves simulating the impact at adjacent substations or sensitive locations (hospitals, data centers) .

Plant — Norton model (OEM) Utilitaire / grille Point of common coupling Iₙ(h) Norton courant Zₙ(h) Norton impédance Iₕ → Vₕ Zg(h) Grille impédance Vₕ = Iₙ(h) · Zg(h) · Zₙ(h) / ( Zₙ(h) + Zg(h) ) Simplified when Zₙ >> Zg : Vₕ ≈ Iₙ(h) · Zg(h)

Figure 4: Harmonics Impedance Loci

Impedance loci plotted on the R-X plane, showing how impedance changes with frequency [citation:4].

The final step is to compile the results into a formal report for the utility.

4. Compliance Verification and Reporting

4.1 Comparison with Limits

Create a summary table comparing the calculated values against the standard limits. For IEEE 519, this involves checking:

IEEE 519 Table 1: Voltage distortion limits at the PCC.
IEEE 519 Table 2: Current distortion limits based on the I_{SC}/I_L ratio (Short circuit current vs. Load current) .

4.2 Mitigation Strategies

If limits are exceeded, the study must propose solutions:

Filtres passifs: Tuned to shunt specific harmonic frequencies.
Filtres d'harmoniques actif: Injecter des courants opposés pour annuler les harmoniques.
Modification d'impédance: Modification des connexions du transformateur ou ajout de réacteurs pour désaccorder le système .

4.3 La directive de vérification en trois étapes

Comme indiqué dans les récentes directives de l'IEEE, la conformité peut être résumée en un processus en trois étapes :

1. Mesurer les données au point d'interconnexion (ALORS).
2. Effectuer une évaluation statistique des données.
3. Comparez les résultats aux limites IEEE correctes.