Quel rôle joue le SVG dans la compensation de la puissance réactive des réseaux électriques ?

Fonctionnement des SVG : principe de fonctionnement fondamental et commande réactive du courant

Les générateurs statiques de puissance réactive, couramment appelés SVG, fonctionnent différemment des méthodes traditionnelles en matière de gestion de la puissance réactive. Ces dispositifs reposent sur des composants semi-conducteurs appelés IGBT pour produire ou absorber du courant réactif (mesuré en VAR) sans aucune pièce mécanique mobile. Leur mode d’action est en réalité assez ingénieux : ils génèrent des courants électriques opposés à l’aide d’une technique appelée modulation de largeur d’impulsion. Lorsqu’une charge inductive provoque un déphasage arrière, l’SVG injecte un courant capacitif afin de rétablir l’équilibre. En revanche, face à une charge capacitive, à l’origine d’autres types de déséquilibres, il agit de façon inverse. Ce processus entier s’effectue à une vitesse remarquable, permettant d’atteindre un facteur de puissance quasi parfait en une fraction de seconde.

Inversion à source de tension basée sur des IGBT pour une génération instantanée de puissance réactive

L'innovation fondamentale réside dans l'architecture du convertisseur à source de tension IGBT. La commutation rapide de la tension du bus continu au moyen de paires d'IGBT anti-parallèles permet de générer précisément des formes d'onde alternatives triphasées déphasées de 90° par rapport à la tension réseau, ce qui autorise une commande précise et continue de la puissance réactive fournie, proportionnellement à la tension du système. Les principaux avantages par rapport aux solutions traditionnelles sont les suivants :

• Élimination des risques de résonance harmonique inhérents aux batteries de condensateurs
• Ajustement fluide et sans à-coup sur toute la plage allant du comportement capacitif au comportement inductif
• Courant de sortie indépendant de la tension — contrairement aux SVC commandés par thyristors

Réponse dynamique inférieure à la milliseconde, comparée aux limitations des commutateurs mécaniques

Les SVG réagissent en 1 à 5 millisecondes — soit 100 à 300 fois plus vite que les condensateurs à commutation thyristor (300 à 500 ms) et plusieurs ordres de grandeur plus rapidement que les commutateurs mécaniques, qui subissent des retards de 20 à 40 périodes dus au déplacement physique des contacts et aux contraintes de réamorçage. Cette rapidité inférieure à une période est essentielle pour :

• Prévention de l'effondrement de tension lors des démarrages de moteurs ou des déclenchements de générateurs
• Atténuation des scintillements dans les applications de fours à arc et de soudage
• Stabilisation de la tension face aux fluctuations rapides de la production solaire/éolienne

Fait essentiel : les SVG passent sans interruption du mode capacitif au mode inductif, fournissant ainsi des réserves réactives continues pendant le maintien en service en cas de défaut (FRT), une capacité que les systèmes mécaniques ne peuvent égaler.

SVG pour l'amélioration de la qualité de l'énergie : harmoniques, déséquilibre et conformité

Filtrage harmonique en temps réel et correction du déséquilibre triphasé

La technologie SVG lute contre la distorsion harmonique en émettant des courants opposés presque instantanément, ce qui annule ces fréquences gênantes provenant notamment des variateurs de fréquence (VDF). Lorsque cela se produit en temps réel, cela maintient le taux de distorsion harmonique total (THD) à moins de 5 %, un critère essentiel pour tous les types d’équipements sensibles présents sur le plancher d’usine. Un autre avantage majeur réside dans la capacité des SVG à corriger les déséquilibres de tension triphasée grâce à leur méthode unique de gestion de la puissance réactive entre les phases. Prenons l’exemple d’une installation manufacturière comportant de nombreuses machines à découper au laser monophasées fonctionnant aux côtés d’équipements triphasés plus puissants. En l’absence d’un équilibrage adéquat, les moteurs peuvent surchauffer et tomber en panne prématurément. Toutefois, avec des SVG installés, nous avons observé une chute spectaculaire du déséquilibre de tension, passant d’environ 8 % à un peu plus de 2 %. Contrairement aux anciens systèmes de filtres passifs, il n’y a aucun délai d’attente pour l’activation des commutateurs ni de problèmes d’accordage gênants limitant les performances.

Respect des limites de la norme IEEE 519–2022 dans les installations industrielles fortement distordues

La technologie SVG permet de maintenir la conformité des systèmes aux normes IEEE 519-2022 en gérant activement les harmoniques jusqu’au 50ᵉ ordre, même dans des conditions sévères telles que celles rencontrées dans les fours à arc ou à l’intérieur des centres de données. Lorsque la distorsion de tension au point de couplage commun (PCC) dépasse 10 %, ces unités SVG maintiennent la distorsion harmonique totale (THD) sous contrôle, à environ 3,5 % ou moins, soit nettement en dessous de la limite de 5 % fixée par la plupart des fournisseurs d’énergie. Un exemple concret provient d’une usine de semi-conducteurs où l’installation de dispositifs SVG a permis de réduire les problèmes liés aux harmoniques d’environ 92 % après déploiement, tout en générant des économies annuelles d’environ 740 000 $ sur la maintenance des batteries de condensateurs, selon un rapport de l’Institut Ponemon publié l’année dernière. Au-delà du simple respect de la réglementation, cette approche proactive évite les amendes potentielles, protège les transformateurs contre des sollicitations inutiles et contribue à assurer le bon fonctionnement des opérations, sans interruptions imprévues.

SVG comme facteur d’assurance de la stabilité du réseau : soutien de la tension et capacité de franchissement des défauts

Régulation dynamique de la tension pendant les perturbations du réseau et les événements de franchissement des défauts

La technologie SVG contribue à assurer la stabilité des réseaux électriques en injectant ou en absorbant presque instantanément de la puissance réactive lors de chutes ou de surtensions de tension, ou encore en cas de défauts du système. Les bancs de condensateurs mécaniques nécessitent environ 3 à 5 périodes avant de pouvoir réagir, tandis que les systèmes SVG répondent immédiatement, maintenant ainsi les tensions à environ ± 2 % des niveaux nominaux et empêchant les déclenchements intempestifs des dispositifs de protection. Lors des situations de franchissement des défauts, ces systèmes conservent des réserves suffisantes de puissance réactive pour satisfaire aux exigences strictes du réseau, telles que celles définies dans la norme IEEE 1547-2018. Dans les zones où l’énergie éolienne représente une part importante du mix énergétique, le recours au contrôle de la tension basé sur les SVG permet de réduire les coupures de courant d’environ 60 % par rapport aux méthodes plus anciennes, selon une étude publiée en 2023 dans la revue Power Systems Research.

Preuve tirée d'une étude de cas : Intégration d'un parc éolien en 33 kV avec réserve réactive basée sur un SVG

Un parc éolien en 33 kV intégrant 15 éoliennes a démontré l’impact stabilisateur du réseau exercé par le SVG. Avant son installation, les creux de tension induits par les rafales dépassaient 8 %, provoquant des déconnexions des éoliennes. Après le déploiement d’un système SVG de 5 MVAR, la réserve réactive a permis de maintenir la tension dans une fourchette de ±1,5 % par rapport à la valeur de référence pendant 98 % des événements de fonctionnement en mode dégradé (FRT). Les principaux résultats obtenus sont les suivants :

• réduction de 70 % des creux de tension inférieurs à 0,9 unité relative (pu) lors des défauts réseau
• Aucune déconnexion d’éolienne pendant les fenêtres de défaut de 0,15 seconde
• Conformité totale aux exigences de la norme EN 50549-2:2019 relative à l’intégration des énergies renouvelables

Cette étude de cas confirme le rôle essentiel du SVG pour permettre une intégration fiable des énergies renouvelables, même à forte pénétration.

SVG comparé aux solutions alternatives : souplesse opérationnelle et valeur sur l’ensemble du cycle de vie

La technologie SVG offre une flexibilité bien supérieure à celle des batteries de condensateurs traditionnelles et des systèmes à thyristors commandés. Contrairement aux solutions mécaniques qui commutent par paliers avec des retards perceptibles, les SVG gèrent la puissance réactive de manière continue dans les deux sens, presque instantanément, éliminant ainsi ces transitoires gênants et les problèmes de scintillement de tension. Cette rapidité fait toute la différence dans les industries soumises à des charges en constante évolution, comme les opérations de soudage ou les laminoirs à acier. Les équipements standards ne parviennent tout simplement pas à suivre lorsque les délais de réponse dépassent 100 millisecondes, ce qui entraîne instabilité et perturbations de la production que personne ne souhaite avoir à gérer.

La proposition de valeur sur l'ensemble du cycle de vie se distingue nettement lorsqu'on examine ces systèmes. La technologie SVG réduit effectivement les pertes de moitié à trois quarts par rapport à des modèles SVC similaires. Pourquoi ? Parce qu’il n’y a plus de chauffage du réacteur, et que l’on n’a plus non plus à gérer ces filtres harmoniques externes problématiques. Cela se traduit par des économies réelles sur les factures énergétiques à long terme. Un autre avantage majeur est qu’il n’y a tout simplement aucune pièce mobile à surveiller, ni de condensateurs vieillissant qui nécessitent un remplacement régulier. Les intervalles entre les contrôles d’entretien peuvent être allongés de 3 à 5 ans par rapport à ceux observés avec les anciens systèmes électromécaniques. Certaines opérations minières ont signalé un taux de disponibilité proche de 99,5 % avec ces installations, ce qui permet évidemment d’éviter des arrêts de production coûteux. En outre, l’encombrement physique des unités SVG est environ 40 à 60 % inférieur à celui des batteries de condensateurs traditionnelles. Elles constituent donc des choix parfaits pour la modernisation de sites existants où l’espace est limité.

Questions fréquemment posées

Qu'est-ce qu'un SVG et comment fonctionne-t-il ?

Un SVG, ou générateur statique de puissance réactive, est un dispositif qui gère la puissance réactive sans pièces mécaniques mobiles. Il utilise des IGBT pour créer des courants électriques opposés et équilibrer les charges inductives ou capacitives presque instantanément.

Comment les SVG améliorent-ils la qualité de l'alimentation électrique ?

Les SVG améliorent la qualité de l'alimentation électrique en filtrant les harmoniques, en corrigeant le déséquilibre triphasé et en assurant le respect des normes industrielles telles que la norme IEEE 519-2022. Ils contribuent à réduire les creux de tension et à maintenir de faibles niveaux de THD.

Quels sont les avantages de la technologie SVG par rapport aux méthodes traditionnelles ?

La technologie SVG offre des temps de réponse plus rapides, une plus grande flexibilité, des pertes réduites, des besoins d'entretien moindres et une utilisation plus efficace de l'espace, comparée aux batteries de condensateurs traditionnelles et aux systèmes commandés par thyristors.