Mesure des problèmes de qualité de l'énergie causés par de nouvelles charges courantes
ABSTRAIT
Ces dernières années, deux facteurs importants ont fortement influencé la consommation d'énergie en Finlande : l'effet de serre et la hausse des prix de l'énergie. Ces facteurs ont entraîné la mise sur le marché de nombreux dispositifs économes en énergie, tels que les pompes à chaleur et les lampes basse consommation. Par ailleurs, la baisse des coûts de fabrication a permis le développement de nouveaux types de charges électriques. Ces nouveaux dispositifs ont modifié les profils de consommation d'électricité et les exigences imposées au réseau de distribution. Conçu initialement pour s'adapter à différents profils de consommation, le réseau de distribution pourrait désormais être confronté à une augmentation de la demande. Problèmes de qualité de l'énergie à mesure que ces nouveaux appareils se généralisent.
Cet article explore Problème de qualité de l'énergieLes surtensions liées à l'utilisation de pompes à chaleur géothermiques et d'un fendeur de bûches sont analysées à partir de mesures effectuées sur un réseau de distribution basse tension réel en Finlande.
L'étude révèle que des problèmes de qualité de l'énergie peuvent survenir lors de l'utilisation de ces charges électriques modernes, le problème particulièrement important étant le courant de démarrage élevé de la fendeuse de bois. Ce courant élevé provoque une chute de tension, pouvant conduire à un scintillement.
I. INTRODUCTION
Les modes de consommation d'énergie ont changé ces dernières années en raison de l'introduction de nouveaux types de charges dans le réseau de distribution. Trois principaux facteurs sont à l’origine de ces changements : l’effet de serre, la hausse des prix de l’énergie et la réduction des coûts de fabrication des appareils.
Les efforts visant à atténuer l’effet de serre et le réchauffement climatique se concentrent principalement sur la réduction des émissions de dioxyde de carbone. Par conséquent, le marché a vu affluer des dispositifs conçus pour réduire les émissions, comme les lampes fluocompactes. Remplacer les ampoules à incandescence par ces alternatives économes en énergie est une approche pour réduire les émissions de carbone, car les lampes fluorescentes compactes produisent de la lumière plus efficacement. Le règlement n° 244/2009 de la Commission européenne impose l'élimination progressive des ampoules à incandescence du marché.
La hausse du coût de l’énergie a incité les consommateurs à investir dans des appareils permettant de réduire à la fois la consommation et les coûts d’énergie. Un exemple courant de ce comportement est le remplacement des systèmes de chauffage au mazout par des pompes à chaleur, ou l’ajout d’une pompe à chaleur air-air pour compléter le chauffage électrique. En Finlande, le soutien du gouvernement a accéléré cette transition. La figure 1 illustre l'augmentation rapide des installations de pompes à chaleur en Finlande entre 1996 et 2008. Cette tendance se reflète dans toute l'Europe, les pompes à chaleur devenant le système de chauffage prédominant dans les maisons unifamiliales en Suède, où elles représentent environ 34 % de l'ensemble du chauffage. genres.
Figure 1. Nombre d'installations de différents types de pompes à chaleur en Finlande au cours des années 1996-2008.
Différents types de pompes à chaleur ont un impact différent sur la consommation d’énergie électrique et les modes d’utilisation. Par exemple, le remplacement d'un système de chauffage au mazout par une pompe à chaleur géothermique augmente la consommation globale d'énergie électrique d'un ménage. A l’inverse, l’ajout d’une pompe à chaleur air-air à un système de chauffage électrique existant peut diminuer la consommation. Cependant, dans les deux scénarios, lorsque l’on compare la consommation d’énergie primaire précédente à la nouvelle consommation d’énergie électrique, la consommation globale d’énergie diminue puisque la majorité de l’énergie de chauffage provient du sol ou de l’air. Cette réduction de la consommation d'énergie primaire entraîne une diminution des émissions de dioxyde de carbone, en fonction de la manière dont l'électricité est produite. Plus la production d’électricité dépend des combustibles fossiles, plus les réductions d’émissions obtenues grâce à l’utilisation de pompes à chaleur sont importantes.
Les pompes à chaleur sont un exemple de charges qui ont gagné en popularité grâce aux progrès technologiques et à la réduction des coûts de fabrication. En Finlande, une pompe à chaleur air-air, installation comprise, coûte désormais entre 1 200 et 3 500 €, ce qui en fait une option abordable. Les pompes à chaleur géothermiques, qui sont plus coûteuses en raison de la nécessité d'un circuit souterrain et d'une capacité électrique plus élevée, sont un autre exemple d'une nouvelle charge qui gagne en popularité en raison de la baisse des coûts. De même, les fendeuses à bois, utilisées pour fendre des bûches épaisses pour les cheminées ou les poêles de sauna, sont devenues de plus en plus courantes en raison de leur prix abordable et de leur commodité.
Ces nouvelles charges modifient la façon dont l’énergie électrique est consommée. Malgré leur potentiel à réduire la consommation globale d’énergie, ces dispositifs peuvent également introduire des problèmes de qualité de l’énergie en raison de leurs caractéristiques électriques distinctes. Les principes de conception des réseaux de distribution, de plus en plus obsolètes, ne répondent pas toujours aux exigences de ces nouveaux consommateurs. À mesure que ces charges se généralisent, les problèmes de qualité de l’énergie risquent de devenir plus fréquents.
Cet article examine les problèmes de qualité de l’énergie associés à l’utilisation de pompes à chaleur géothermiques et de fendeuses de bois. Les appareils ont été sélectionnés sur la base des plaintes relatives à la qualité de l'énergie reçues par un service public de distribution. L'étude s'appuie sur des mesures de cas pratiques menées dans des réseaux de distribution réels en Finlande. Le document fournit d'abord un aperçu théorique des problèmes de qualité de l'énergie liés aux charges susmentionnées, suivi d'une description détaillée des mesures des études de cas. Enfin, les résultats et conclusions de ces mesures sont présentés.
II. CONTEXTE THÉORIQUE DE LA QUALITÉ DE L’ÉNERGIE
La qualité de l'énergie est définie comme « un ensemble de paramètres définissant les propriétés de la qualité de l'énergie fournie à l'utilisateur dans des conditions normales de fonctionnement, en termes de continuité de l'alimentation et de caractéristiques de tension (symétrie, fréquence, amplitude, forme d'onde) » [7]. Cet article se concentre sur la qualité de l’énergie en termes de qualité de tension. Les limites de qualité de la tension sont définies dans la norme EN 50160 qui précise les caractéristiques de tension de l'électricité fournie par les réseaux publics de distribution. La norme vise à définir et à décrire les caractéristiques de la tension d'alimentation concernant la fréquence, l'amplitude, la forme d'onde et la symétrie de la tension de ligne. Ces caractéristiques sont sujettes à des variations pendant le fonctionnement normal du système en raison des changements de charge, des perturbations provenant d'équipements spécifiques et des défauts causés principalement par des événements externes. Ces variations sont aléatoires tant dans le temps que dans le lieu, ce qui signifie que, dans de rares occasions, les limites peuvent être dépassées .
La norme EN 50160 définit les caractéristiques de tension des réseaux basse et moyenne tension [8]. Ce document considère uniquement les caractéristiques de tension dans les réseaux basse tension, en se concentrant sur le scintillement provoqué par des changements rapides de tension, des niveaux de tension et des creux de tension, car ceux-ci sont des causes courantes de plaintes concernant la qualité de l'énergie. La figure 2 montre la répartition des plaintes relatives à la qualité de l'énergie reçues par un service public de distribution en Finlande entre 2003 et 2005. Environ 70 % de toutes les plaintes étaient liées à des changements de tension.
Figure 2. Répartition des plaintes concernant la qualité de l'électricité dans un service public de distribution en Finlande au cours des années 2003-2005 [9].
Les perturbations du niveau de scintillement et de tension sont souvent causées par des appareils qui nécessitent de l'énergie pour fonctionner. Lorsqu'un appareil est connecté au réseau, il consomme du courant, provoquant un changement de tension sur l'impédance du réseau de distribution. Ce phénomène est décrit par l'équation 1. Selon le type de connexion de l'appareil, il peut affecter différemment les tensions de phase. Par exemple, si l'appareil est connecté dans une configuration triphasée et est symétrique, toutes les tensions de phase subiront des effets similaires, soit une chute ou une augmentation de tension. Cependant, si l'appareil est connecté dans une configuration monophasée, les tensions de phase peuvent subir des changements de tension différents en raison du déplacement du point étoile ; par exemple, la tension d'une phase peut augmenter tandis que les autres chutent.
ΔU = vecteur de variation de tension ZN = vecteur impédance du réseau de distribution IDEV = vecteur courant de l'appareil
La norme EN 50160 définit les niveaux autorisés pour le scintillement, stipulant que 95 % de la gravité du scintillement à long terme au cours d'une semaine doit être inférieure ou égale à 1. Pour les niveaux de tension, la norme précise que 95 % des valeurs efficaces moyennes sur 10 minutes de la tension d'alimentation doit être dans la plage Un ± 10 % pendant n'importe quelle période, et toutes les valeurs efficaces moyennes sur 10 minutes doivent être dans la plage -15 %
III. CONTEXTE THÉORIQUE DES POMPES À CHALEUR ET DES FENDEURS DE BOIS
Les pompes à chaleur et les fendeuses de bois dépendent de moteurs à induction pour leur alimentation, ce qui fait de ces moteurs le composant le plus important en termes d'utilisation actuelle et de qualité d'énergie. Les fendeuses de bois utilisent généralement un moteur à induction monophasé, tandis que les pompes à chaleur peuvent utiliser un moteur à induction monophasé ou triphasé, selon le type. Les pompes à chaleur plus grandes, telles que les pompes à chaleur géothermiques et les pompes à chaleur air-eau, utilisent généralement des moteurs triphasés, tandis que les pompes à chaleur plus petites utilisent généralement des moteurs monophasés.
L'impact le plus important d'un moteur à induction sur le réseau de distribution se produit lors du démarrage, lorsque le moteur consomme un courant de démarrage élevé. Ce courant élevé provoque un changement de tension aux bornes de l'impédance du réseau, comme illustré sur la figure 3 et l'équation 2. La figure 3a présente le circuit équivalent d'un moteur à induction polyphasé, tandis que la figure 3b présente un circuit équivalent approximatif. Le circuit approximatif suppose que la composante réactive des impédances z1 et zm est bien supérieure à la composante résistive et que la tension E2 n'est que légèrement inférieure et presque en phase avec la tension V. Ces hypothèses sont vraies pour les moteurs à induction conventionnels en fonctionnement normal. gamme. L'équation 2, dérivée de la figure 3b, montre que lorsque le glissement du moteur à induction est faible, le moteur consomme un courant élevé du réseau. Le glissement est de 1 au moment du démarrage du moteur et diminue jusqu'à près de 0 après le démarrage. Les moteurs à induction monophasés ont un circuit équivalent et une équation de consommation de courant différents de ceux des moteurs polyphasés, mais l'effet du courant de démarrage élevé est similaire dans les deux cas [10].
Figure 3. a) Circuit équivalent d'un moteur à induction triphasé. b) Circuit équivalent approximatif d'un moteur à induction triphasé [10].
r1 = résistance du stator x1 = réactance de fuite du stator xm = réactance magnétisante r2 = résistance du rotor x2 = réactance de fuite du rotor s = glissement du moteur
Le courant de démarrage pose d’importants problèmes de qualité d’énergie car il atteint sa valeur maximale au démarrage et reste relativement stable en fonctionnement normal. Du point de vue de la qualité de l’énergie, la fréquence des démarrages des moteurs est critique. Si la fréquence de démarrage est élevée, davantage de changements de tension se produiront. La durée de fonctionnement de la pompe à chaleur dépend de la demande d'énergie de chauffage, de la taille de la pompe et du réglage de ses paramètres. Si la demande de chauffage est proche de la capacité nominale de la pompe, celle-ci peut fonctionner en continu pendant de longues périodes. Cependant, si la demande est nettement inférieure à la capacité de la pompe, des démarrages et des arrêts fréquents peuvent survenir. Par exemple, un fournisseur de pompes à chaleur géothermiques précise que le délai minimum entre l’arrêt et le redémarrage est de 10 minutes.
Pour les fendeuses de bois, la fréquence de démarrage dépend de la logique de fonctionnement de l'appareil. Il existe deux logiques de fonctionnement principales pour déplacer le piston hydraulique d'une fendeuse de bois. La première consiste à effectuer tous les mouvements du piston avec commande hydraulique pendant que le moteur à induction fonctionne. La seconde consiste à utiliser une commande hydraulique pour l’action de pression lorsque le moteur tourne et un ressort pour le mouvement vers l’arrière lorsque le moteur est arrêté. La deuxième logique entraîne une fréquence de démarrage beaucoup plus élevée. Dans nos mesures, la fendeuse à bois que nous avons étudiée nécessitait un démarrage à chaque fois qu'une nouvelle bûche était fendue.
IV. DESCRIPTION DE L’ÉTUDE DE MESURE DE CAS PRATIQUE
Notre étude a porté sur deux mesures de cas pratiques menées en Finlande, l'une dans la zone rurale de Lempäälä et l'autre dans la zone urbaine de Tampere. La portée et l’environnement de chaque cas étaient légèrement différents. Nous avons utilisé les analyseurs de qualité d'énergie Dranetz PX-5 et Dranetz 4400 comme appareils de mesure. Cette section fournit une description détaillée des deux mesures de cas pratiques.
Réseau de zones rurales de Lempäälä
À Lempäälä, l'étude s'est concentrée sur les problèmes de qualité de l'électricité causés par une fendeuse de bois dans un réseau rural. La fendeuse de bois était un appareil monophasé avec une puissance nominale du moteur de 2,2 kW. La logique de fonctionnement du séparateur nécessitait un démarrage à chaque fois qu'un nouveau journal était fractionné. Le réseau basse tension était principalement constitué de câbles aériens groupés (AMKA) de sections allant de 70 mm² à 35 mm². La puissance nominale du transformateur 20/0,4 kV alimentant le réseau était de 200 kVA. Dans ce réseau, les courants de court-circuit monophasés calculés chez les clients allaient de 148 A à 1 400 A. Nous avons étudié les problèmes de qualité de l'énergie causés par la fendeuse de bois à trois endroits avec des courants de court-circuit mesurés de 146 A, 275 A et 350 A aux bornes d'alimentation client. Il y avait une rallonge de 10 m entre la borne d'alimentation du client et le point de prise de la fendeuse de bois, ce qui entraînait des courants de court-circuit de 136 A, 200 A et 233 A au point de prise. La figure 4a donne une image globale du réseau basse tension de Lempäälä, avec des emplacements de mesure le long des départs 1 et 2. Les mesures ont été prises au point de prise, au terminal d'alimentation client et à proximité du transformateur pendant que la fendeuse de bois fonctionnait. De plus, lorsque la fendeuse de bois a fonctionné à un endroit avec un courant de court-circuit de 146 A, des mesures ont également été effectuées à un endroit avec un courant de court-circuit de 275 A, car les deux emplacements se trouvaient sur la même ligne d'alimentation. Les grandeurs mesurées incluaient les formes d'onde de tension et de courant et les paramètres définis dans la norme EN 50160, à l'exception de l'intensité du scintillement à court terme, qui a été mesurée sur une période de 5 minutes.
Figure 4. A) Vue d'ensemble du réseau basse tension de Lempäälä. B) Vue d'ensemble du réseau basse tension à Tampere avec emplacements des points de mesure.
Réseau de la zone urbaine de Tampere
À Tampere, l'étude s'est concentrée sur les problèmes de qualité de l'électricité causés par les pompes à chaleur géothermiques dans un réseau urbain. Le réseau basse tension était principalement constitué de câbles souterrains de sections allant de 120 mm² à 300 mm², et la puissance nominale du transformateur 20/0,4 kV était de 315 kVA. Dans ce réseau, les courants de court-circuit monophasés calculés allaient de 445 A à 9,7 kA, et les courants de court-circuit triphasés allaient de 1,1 kA à 10,8 kA, indiquant un réseau relativement solide. À une extrémité de ce réseau basse tension, deux maisons mitoyennes ont remplacé leur système de chauffage au fioul commun par des systèmes de pompe à chaleur géothermique séparés. Deux pompes à chaleur d'une puissance calorifique nominale de 25 kW et 36 kW et d'une puissance électrique maximale de 9,9 kW et 13,2 kW respectivement ont été installées dans chaque maison mitoyenne. Les pompes ont été démarrées directement en ligne, ce qui a entraîné des courants de démarrage élevés à chaque activation. Cet emplacement a été choisi pour l'étude en raison des plaintes des clients concernant le scintillement. La figure 4b donne un aperçu du réseau basse tension, des courants de court-circuit aux bornes d'alimentation client et des points de mesure. Les grandeurs mesurées comprenaient des formes d'onde de tension et de courant et des paramètres définis dans la norme EN 50160.
V. RÉSULTATS PRATIQUES DE L’ÉTUDE DE CAS
Ce chapitre présente les résultats des études de cas pratiques, organisés de manière similaire au chapitre précédent pour plus de commodité.
Réseau de zones rurales de Lempäälä
La fendeuse de bois a causé d’importants problèmes de qualité d’alimentation électrique chez le client. Chaque fendage de bûches entraînait un courant de démarrage élevé par rapport au courant de court-circuit, provoquant une chute de tension importante dans la phase à laquelle la fendeuse de bois était connectée au terminal d'alimentation du client. En conséquence, les problèmes les plus graves étaient liés au scintillement et à la fréquence des creux de tension. La figure 5 illustre la forme d'onde et la valeur efficace du courant de démarrage lors d'un événement de fendage de bois à un emplacement avec un courant de court-circuit de 275 A au niveau de la borne d'alimentation du client.
Figure 5. Forme d'onde et valeur efficace d'un démarrage de fendeuse à bois à un emplacement avec un courant de court-circuit de 275 A au niveau de la borne d'alimentation client.
Il a été observé que les tensions de phase des autres phases, non connectées à la fendeuse de bois, augmentaient au niveau de la borne d'alimentation du client en raison du déplacement du point neutre dans le réseau basse tension, comme prévu au chapitre III. La figure 6 illustre cet effet, montrant les tensions de phase au niveau de la borne d'alimentation du client lors du démarrage d'une fendeuse de bois. Comme le montre la figure 6, la tension de phase dans la phase de connexion chute de manière si spectaculaire que chaque démarrage produit un creux de tension selon la norme EN 50160 [8].
Figure 6. Tensions de phase à un emplacement avec un courant de court-circuit de 275 A au niveau de la borne d'alimentation client lors du démarrage d'une fendeuse de bois.
Les résultats globaux de l'impact sur le réseau de l'étude de cas pratique à Lempäälä sont résumés dans le tableau 2. Dans les mesures 1 et 3, la fendeuse de bois était connectée à la phase L2, tandis que dans la mesure 2, elle était connectée à la phase L1. Le tableau 2 montre une augmentation significative de l'indice de gravité du scintillement à court terme au niveau du terminal d'alimentation du client à chaque phase pendant laquelle la fendeuse de bois était en fonctionnement. Cela indique un scintillement très perceptible, ce qui signifie que même une utilisation à court terme de la fendeuse de bois dépasserait la limite de sévérité du scintillement à long terme de Plt=1, telle que définie dans la norme EN 50160 [8]. Il convient de noter qu’une tronçonneuse électrique a également été utilisée lors de l’opération de fendage du bois, ce qui a légèrement augmenté l’indice de sévérité du scintillement à court terme. Cependant, l’impact de la tronçonneuse sur la tension de phase était bien moindre que celui de la fendeuse de bois.
Tableau 2. Résultats globaux de l'étude de cas pratique à Lempäälä.
En plus des résultats présentés dans le tableau 2, il a été observé que lorsque la fendeuse de bois fonctionnait au point de mesure 1, des problèmes de qualité de l'énergie étaient également enregistrés au point de mesure 2, situé à 250 mètres. Le fonctionnement de la fendeuse de bûches a augmenté l'indice de scintillement à court terme sur l'autre point de mesure à 7,2 dans la phase connectée et à 2,8 et 1,1 dans les autres phases, même si la fendeuse de bûches fonctionnait au point de mesure 1. Malgré la puissance importante problèmes de qualité observés chez le client, aucun problème n’a été détecté au niveau du transformateur. Une façon d’atténuer ces problèmes consiste à utiliser uniquement des fendeuses de bois dont les mouvements du piston sont contrôlés hydrauliquement tandis que le moteur à induction fonctionne en continu.
VI. CONCLUSIONS
Cet article examine les problèmes de qualité de l'énergie causés par des charges électriques de plus en plus courantes, sur la base de mesures de cas pratiques réalisées dans un réseau de distribution réel en Finlande. L'étude s'est concentrée sur deux groupes de charges : les fendeuses de bois et les pompes à chaleur.
La fendeuse de bois, un appareil monophasé doté d'une puissance nominale de moteur de 2,2 kW, a été testée à différents endroits d'un réseau basse tension rural en Finlande. Les courants de court-circuit calculés dans ce réseau variaient de 1,4 kA à 146 A, avec des courants mesurés de 148 A, 275 A et 350 A aux bornes d'alimentation client. La fendeuse de bois a causé d'importants problèmes de scintillement en raison de son courant de démarrage élevé et des démarrages fréquents de son moteur à induction. Des problèmes de scintillement ont été observés dans les trois phases en raison du déplacement du point étoile dû au fonctionnement du dispositif monophasé. Les problèmes de scintillement se sont également étendus aux clients à proximité le long de la même ligne d'alimentation. Une façon d'éviter ces problèmes consiste à autoriser uniquement les fendeuses de bois dont les mouvements du piston sont contrôlés hydrauliquement tandis que le moteur à induction fonctionne en continu, réduisant ainsi le nombre de démarrages.
Dans le réseau urbain de Tampere, les problèmes de qualité de l'énergie provoqués par les pompes à chaleur ont été étudiés. Quatre grandes pompes à chaleur ont été installées dans deux maisons mitoyennes. Le démarrage de ces pompes a fait dépasser le seuil d'irritation de l'indice de gravité du scintillement à court terme de 1. De plus, le démarrage des pompes à chaleur dans une maison mitoyenne a augmenté l'indice de scintillement dans l'autre maison mitoyenne, ce qui indique une perturbation croisée. Bien que l'indice de scintillement à court terme dépasse parfois 1, l'indice de scintillement à long terme reste inférieur à 1, ce qui indique qu'il n'y a aucun problème de scintillement selon la norme. Néanmoins, le scintillement était bien visible lors des démarrages de la pompe à chaleur, notamment au niveau de l'éclairage, ce qui pouvait irriter certains clients. En conséquence, le fournisseur de pompes à chaleur installera des démarreurs progressifs pour résoudre le problème.