Optimiser la phase d’onduleur pour réduire les harmoniques du réseau électrique

Dans un contexte énergétique mondialisé où la qualité de l’électricité devient un enjeu majeur, maîtriser les harmoniques générées par les onduleurs est devenu indispensable. L’interconnexion massive de sources renouvelables, la multiplication des équipements électroniques et la sophistication des réseaux rendent la réduction des distorsions harmoniques non seulement nécessaire pour préserver la stabilité du réseau, mais aussi pour garantir la longévité des installations électriques. Les industriels comme Schneider Electric, SMA Solar Technology, ou encore Fronius s’engagent à développer des solutions innovantes pour optimiser la phase d’onduleur, introduisant de nouvelles méthodes de commande et des technologies de filtrage avancées. Cette évolution vise à minimiser la pollution harmonique à la source, améliorant ainsi la performance globale des réseaux électriques modernes.

Comprendre les harmoniques dans le réseau électrique et leur impact sur les onduleurs

Les harmoniques constituent un phénomène électrique complexe lié aux variations périodiques non sinusoïdales qui s’ajoutent à la fréquence fondamentale d’un réseau, fixée à 50 ou 60 Hz selon les régions. Selon la définition standard IEEE, une harmonique est une composante sinusoïdale d’une onde dont la fréquence est un multiple entier de la fréquence fondamentale. Cette interprétation mathématique s’appuie sur les travaux fondamentaux de Joseph Fourier au XIXème siècle, qui prouva que tout signal périodique peut être décomposé en une somme de sinusoïdes de différentes fréquences, dont la première est la composante fondamentale et les suivantes, les harmoniques.

Dans la réalité pratique des réseaux électriques, la présence d’équipements à charge non linéaire, notamment les onduleurs utilisés dans les installations photovoltaïques ou les convertisseurs de fréquence, génère ces harmoniques qui perturbent la forme idéale du signal électrique. En plus des harmoniques, on observe parfois des inter harmoniques et des sous-harmoniques, qui ne sont pas des multiples entiers de la fréquence du réseau et créent des phénomènes de vibration et de fluctuation électrique. Ces composantes additionnelles proviennent souvent des transitions rapides et non périodiques ou des commutations de convertisseurs statiques non synchronisés.

La présence de ces harmoniques affecte non seulement la qualité de la tension et du courant fournis, mais engendre également plusieurs impacts négatifs :

• Surchauffe des transformateurs et des câbles : la circulation de courants harmoniques augmente les pertes Joule qui détériorent les équipements.
• Bruit et perturbations électromagnétiques, gênant le fonctionnement des appareils sensibles et la communication des systèmes embarqués.
• Dégradation des performances des protections électriques et fausses déclenchements.
• Diminution de l’efficacité énergétique générale par l’augmentation des pertes dans le réseau.

Au fil de ces constats, le secteur des technologies énergétiques, incluant des acteurs comme SolarEdge, ABB et Victron Energy, s’est engagé dans des recherches approfondies pour mieux contenir et gérer ces harmoniques dès la génération. Les onduleurs modernes, en particulier ceux conçus par Huawei Technologies ou Sungrow, intègrent désormais des méthodes avancées de détection et de correction harmonique pour optimiser cette phase critique.

Techniques classiques de réduction des harmoniques dans les onduleurs : filtres passifs, actifs et hybrides

Face au défi posé par les harmoniques, les premières solutions développées dans le domaine de l’électronique de puissance ont été les méthodes dites « classiques », basées essentiellement sur des systèmes de filtrage. Ces filtres visent à atténuer ou éliminer les harmoniques après leur production pour rétablir la qualité du signal électrique.

Ces filtres peuvent être classés en trois familles principales, chacune ayant ses avantages, inconvénients et domaines d’application :

• Filtres passifs : Ces dispositifs sont composés de composants passifs tels que des inductances, des condensateurs et des résistances qui ciblent des gammes spécifiques de fréquences harmonique. Ils peuvent être passe-bas, passe-haut, passe-bande ou de rejet de bande. Leur simplicité et leur faible coût expliquent leur large adoption dans les installations standard, notamment dans des systèmes où le besoin harmonique est connu et stable. Toutefois, ils nécessitent souvent un filtre distinct pour chaque ordre harmonique à traiter, ce qui rend le dispositif encombrant et complexe. Par exemple, dans une usine disposant d’onduleurs multiphasés, il faut prévoir plusieurs filtres passifs spécifiques aux harmoniques 5ème, 7ème, 11ème, etc.
• Filtres actifs : Plus sophistiqués, ces filtres utilisent des amplificateurs opérationnels et des transistors pour générer un courant de compensation dynamique capable de neutraliser plusieurs harmoniques simultanément. Ils s’adaptent aisément aux variations de charge et permettent une correction très précise, améliorant la forme d’onde électrique. Leur principal frein reste cependant le coût élevé et la consommation énergétique nécessaire pour alimenter leurs composants actifs. Fronius et Schneider Electric proposent des solutions avancées intégrant des filtres actifs dans leurs gammes d’onduleurs pour applications industrielles.
• Filtres hybrides : Il s’agit de combiner un filtre passif et un filtre actif afin de bénéficier à la fois de la robustesse d’un côté et de la flexibilité dynamique de l’autre. Les systèmes hybrides sont capables de gérer un large spectre harmonique tout en compensant l’énergie réactive, principalement dans les installations photovoltaïques et les réseaux intelligents. Sonnen, Victron Energy et ABB ont développé des technologies hybrides pour répondre à ce besoin.

Le choix entre ces filtres dépend de plusieurs critères qu’il faut examiner attentivement :

1. La nature et la stabilité des charges électriques connectées.
2. Le budget alloué au système de filtration.
3. Les niveaux de distorsion tolérables selon les normes nationales et internationales (notamment IEEE Std. 519-1992).
4. L’espace disponible pour l’installation des filtres.

Par exemple, dans une installation photovoltaïque résidentielle, un filtre actif ou hybride peut s’avérer préférable pour son adaptabilité, tandis qu’une usine avec des charges fixes peut opter pour une solution passives efficace et économique.

De nombreux fabricants comme Siemens et OutBack Power intègrent désormais ces options dans leurs onduleurs, donnant aux professionnels une large palette pour optimiser la phase d’onduleur face aux harmoniques présents.

Le rôle des transformateurs d’isolation dans l’atténuation des harmoniques

Au-delà du filtrage active ou passif, une autre approche classique mais toujours pertinente consiste en l’utilisation de transformateurs d’isolation, qui contribuent à atténuer les harmoniques tout en offrant d’autres avantages importants sur le réseau électrique. Ces transformateurs, en configuration étoile-triangle (Y-D), exploitent la géométrie de leurs enroulements pour bloquer efficacement certains rangs d’harmoniques indésirables tout en protégeant les appareils connecter en aval.

La stratification des enroulements et l’insertion d’un bouclier entre le primaire et le secondaire du transformateur contribuent aussi à réduire le bruit électrique issu des charges non linéaires. Par exemple :

• Couplage Dy1 : bloque les harmoniques de rang 5 et 7, fréquemment générés par les onduleurs.
• Couplage Dy : stoppe les harmoniques de rang 3, souvent liées aux charges asymétriques.
• Couplage DZ5 : cible spécifiquement les harmoniques de rang 5.

Ces caractéristiques permettent d’intégrer des transformateurs d’isolation dans les réseaux où la réduction des harmoniques est critique, notamment dans des environnements sensibles ou industriels où les équipements peuvent être fortement impactés par des distorsions. Ils offrent aussi des avantages physiques notables :

• Protection des équipements en amont contre les surcharges et les défauts électriques.
• Isolement galvanique améliorant la sécurité des personnes intervenant.
• Réduction des perturbations électromagnétiques engendrées par le couplage.

En somme, les transformateurs d’isolation jouent un rôle double : mécanique et harmonique. Schneider Electric et ABB intègrent encore cette technologie dans les systèmes de distribution avancés pour améliorer la robustesse et la qualité du réseau.

Optimisation moderne de la commande d’onduleurs par algorithmes métaheuristiques pour une réduction efficace des harmoniques

Les progrès récents dans le domaine de l’électronique de puissance et des systèmes embarqués – en particulier depuis l’avènement des microcontrôleurs puissants et des algorithmes avancés – ont ouvert la voie à de nouvelles stratégies de commande d’onduleurs. Ces méthodes modernes visent à éliminer les harmoniques dès la production en optimisant les instants précis de commutation des semi-conducteurs. Cette optimisation est rendue possible grâce aux algorithmes métaheuristiques, tels que :

• PSO (Particle Swarm Optimization) : inspiré du comportement collectif des oiseaux et des poissons;
• HS (Harmony Search) : tirer parti de la recherche musicale pour trouver les meilleures solutions;
• Algorithme génétique : mécanisme d’évolution inspiré de la sélection naturelle.

Ces algorithmes traitent les problématiques complexes non linéaires dérivées de la série de Fourier des signaux électriques dans le but d’identifier des séquences de commutation qui minimisent l’apparition des harmoniques. Chaque commutation est calculée avec précision temporelle pour annuler ou réduire les composantes de fréquence supérieures à la fondamentale.

Cette approche proactive a l’avantage majeur de réduire considérablement la nécessité de filtrage en aval, ce qui impacte positivement le coût et la simplicité des systèmes. Les entreprises tournées vers l’innovation, comme Huawei Technologies, SMA Solar Technology et SolarEdge, intègrent ces technologies dans leurs solutions onduleurs pour générer une qualité d’énergie optimale.

OutBack Power et Victron Energy ont également présenté des prototypes appliquant la commande optimisée par ces algorithmes dans les micro-réseaux et les installations solaires résidentielles, démontrant une nette réduction des THD (Total Harmonic Distortion) et une stabilité électrique renforcée.

Par ailleurs, ces stratégies innovantes collaborent avec les systèmes de filtrage hybrides pour maximiser l’efficacité de la réduction harmonique, alliant le meilleur du contrôle numérique et du filtrage analogique.

Normes, analyses et stratégies d’implémentation pour la gestion optimale des harmoniques dans les réseaux électriques

La gestion des harmoniques ne peut être abordée sans prendre en compte les normes et standards qui encadrent la distribution électrique. Parmi ces références, la norme IEEE Std. 519-1992 constitue une base essentielle pour la définition des limites admissibles de distorsion harmonique dans les réseaux publics et industriels.

Avant toute mise en œuvre d’une solution de réduction harmonique, il est fondamental d’effectuer une analyse spectrale précise. Cette méthode permet :

• De mesurer l’amplitude des harmoniques selon leur rang spécifique.
• D’évaluer le THD afin d’avoir une vision globale de la qualité du signal.
• D’identifier les composantes dominantes responsables des perturbations.

Ces éléments facilitent les choix techniques et budgétaires pour le filtrage, la commande d’onduleurs ou l’installation de transformateurs spécifiques.

Pour renforcer la pertinence des interventions, il est également recommandé d’observer :

• Le comportement dynamique des charges et des sources tout au long du cycle de consommation.
• L’impact des compensations d’énergie réactive, souvent associées aux filtres.
• La coordination entre les différents dispositifs de compensation pour éviter des effets de résonance.

Des logiciels de simulation avancée et des systèmes de mesure en temps réel s’imposent aujourd’hui pour piloter l’optimisation en continu. Ainsi, les gestionnaires de réseau, avec l’aide de sociétés comme Siemens ou SMA Solar Technology, peuvent anticiper les variations harmonique et adapter leurs solutions en conséquence.

Par ailleurs, le contexte réglementaire en 2025 encourage l’intégration d’énergies renouvelables et la numérisation des réseaux intelligents. Ce contexte pousse aussi les fabricants comme SolarEdge ou Huawei Technologies à déployer des technologies intégrées permettant d’optimiser la phase d’onduleur avec un contrôle harmonique adapté, garantissant une fourniture stable et conforme aux exigences.

En combinant ces méthodes analytiques, normatives et technologiques, les professionnels disposent aujourd’hui d’un arsenal complet pour réduire efficacement l’impact des harmoniques tout en améliorant la performance énergétique et la sécurité du réseau.