Les filtres de puissance actifs (APF) et les générateurs de tension statique (SVG) peuvent-ils fournir des solutions importantes pour le marché en pleine croissance des bornes de recharge pour véhicules électriques ?

Les filtres de puissance actifs (APF) et les générateurs de tension statique (SVG) peuvent-ils fournir des solutions importantes pour le marché en pleine croissance des bornes de recharge pour véhicules électriques ?

Avec l'essor mondial du parc de véhicules électriques, les problèmes de qualité de l'énergie dans les infrastructures de recharge sont devenus de plus en plus importants. En tant que charges non linéaires, les bornes de recharge génèrent une pollution harmonique et des fluctuations de puissance réactive pendant leur fonctionnement, ce qui entraîne une distorsion de la tension du réseau, une surchauffe des équipements et une baisse de l'efficacité énergétique. Dans les cas les plus graves, cela peut provoquer des dysfonctionnements des dispositifs de protection électrique. Filtres de puissance actifs (APF) et Générateurs de variables statiques (SVG) En tant que dispositifs d'atténuation dynamique, ils permettent non seulement de résoudre efficacement ces problèmes, mais aussi de réduire les coûts d'exploitation globaux grâce à une intégration technique innovante. Cette analyse examine systématiquement la valeur fondamentale de ces deux technologies dans les installations de recharge, du point de vue des principes techniques, des solutions d'application et des perspectives économiques.

1. Problèmes de qualité de l'alimentation électrique causés par les chargeurs de véhicules électriques

Les chargeurs de véhicules électriques (en particulier les chargeurs embarqués dans les batteries CA) adoptent généralement des topologies de redresseurs triphasés non contrôlés, dont les caractéristiques non linéaires entraînent une importante distorsion de la forme d'onde du courant. Les données de test montrent qu'une seule batterie CA de 7 kW à pleine charge peut générer une distorsion harmonique totale du courant (THDi) de 25 à 35 %, avec des harmoniques dominantes de 5e, 7e et 11e. Lorsque plusieurs batteries fonctionnent simultanément, la superposition de courants harmoniques peut entraîner une surchauffe des enroulements du transformateur de distribution, accélérer le vieillissement de l'isolation et même provoquer des incendies électriques.

Parallèlement, le contrôle de phase des chargeurs entraîne des fluctuations du facteur de puissance (FP) entre 0,6 et 0,8, bien en deçà de la norme du réseau, qui est supérieure à 0,9. Par exemple, les mesures d'une station à 10 bornes affichent un FP moyen de 0,72 sans compensation, ce qui signifie qu'environ 30 % de la puissance apparente est constituée de composantes réactives. Cela augmente les pertes en ligne et provoque des creux de tension. Plus important encore, les courants harmoniques traversant les compteurs d'énergie traditionnels (conçus pour les ondes fondamentales) entraînent une sous-facturation de 5 à 15 % de la consommation d'énergie réelle, réduisant ainsi directement les revenus de l'opérateur.

Tableau : Problèmes typiques de qualité de l'énergie dans les bornes de recharge

2. Solutions de filtrage de puissance active

Pour atténuer les harmoniques, les filtres passe-bas intégrés sont devenus essentiels. Des conceptions avancées intègrent des convertisseurs à pont en H directement dans les topologies de chargeur, permettant ainsi une « élimination localisée des harmoniques » via une connexion parallèle après le compteur. Un prototype de 7 kW développé par l'Université de technologie de l'Anhui utilise un contrôle résonant proportionnel à double zéro, réduisant le THDi côté réseau à < 3 % avec une précision de compensation supérieure à 95 % pour les harmoniques inférieures au 30e ordre.

Les APF modulaires en pont en H présentent des avantages significatifs : une tension de bus CC réduite de 50 % (650 VDC), une ondulation du courant de sortie réduite de 40 % et des pertes de commutation inférieures d'environ 25 %. Le déploiement sur une borne de recharge de bus (20 piles CC de 120 kW) a montré une réduction du THDi de 29,7 % à 2,1 %, permettant d'éviter des pénalités de 17 000 $ par an.

Les avancées dans les algorithmes de contrôle améliorent la réponse dynamique. La transformée de Fourier discrète à fenêtre glissante (DSFT) détecte les harmoniques en 1 ms, tandis que le contrôle composite répétitif PI + permet d'obtenir une réponse transitoire inférieure à 10 ms, essentielle pour les profils de charge à variation progressive des véhicules électriques.

3. Solutions de générateur de tension statique

Les SVG régulent le courant capacitif/inductif via des onduleurs à source de tension, avec une réactivité 100 fois supérieure (< 5 ms) à celle des batteries de condensateurs. Dans le système coordonné de Hunan Electric Power, les chargeurs gèrent la correction du facteur de puissance (plage de ± 0,95), tandis que les SVG assurent un support réactif dynamique lors des transitoires de tension.

Le modèle d'optimisation multi-objectifs principal minimise les coûts de configuration et les écarts de tension, limités par l'état de charge initial et les caractéristiques de la batterie. Les simulations montrent que les SVG rétablissent la tension à ± 2 % de la valeur nominale en 0,2 s lors de creux de tension de 8 %. Le dimensionnement optimisé des SVG réduit la capacité requise de 35 % (par exemple, 1,2 Mvar contre 2 Mvar pour 30 piles).

Tableau : Économie de la configuration SVG

4. Systèmes hybrides et innovations

Des recherches de pointe intègrent les fonctionnalités APF/SVG. L'Institut indien Sreenidhi propose un APF hybride à trois niveaux (HAPF) combinant suppression des harmoniques et compensation réactive, alimenté par des bus CC renouvelables. Son algorithme hybride Jaya-Grey Wolf (GWJA) réduit le temps de stabilisation de la tension de 50 % et maintient le THDi inférieur à 4 % en cas de fluctuations photovoltaïques.

Les onduleurs à trois niveaux de type T s'imposent comme une tendance majeure, réduisant de moitié la tension de commutation, ce qui est particulièrement crucial pour la charge ultra-rapide à 800 V. Les tests effectués sur des systèmes de 350 kW montrent un rendement de 98,2 %, soit 2,5 % de plus que les modèles à deux niveaux.

5. Analyse technico-économique

Malgré des coûts initiaux plus élevés (20 à 40 $/kW), APF/SVG offre un retour sur investissement convaincant :

• Élimination des pertes de facturation harmonique : économise environ 120 $/an par pile CA de 7 kW
• Réduction des pannes de communication : coûts de maintenance réduits de 60 %
• Rabais incitatifs PF : 0,5 % de rabais sur la facture d'électricité pour PF> 0,95
• Durée de vie prolongée de l'équipement : la durée de vie du transformateur augmente de 3 à 5 ans

Pour les grandes stations (30 piles de 120 kW + 1,2 Mvar SVG) :

• Pénalités PF évitées : environ 3 000 $/mois d'économies
• Coûts de transformateur réduits : réduction de 35 % (50 000 $ économisés) grâce à la réduction des effectifs
• Stabilité de tension améliorée : 90 % d'interruptions de charge en moins

6. Recommandations d'application

• Pieux CA distribués (résidentiels/commerciaux) : APF intégré pour pieux de 7 à 22 kW
• Stations centralisées (dépôts de bus/autoroutes) : « SVG + APF groupé » avec SVG dimensionné à 30 %-40 % de la charge totale
• Stations intégrées aux énergies renouvelables : HAPF à trois niveaux avec optimisation GWJA

7. Tendances futures

Les dispositifs à large bande interdite (SiC/GaN) permettront des fréquences plus élevées (> 50 kHz) et des APF/SVG plus petits (réduction de taille de 40 %), idéaux pour les sites à espace restreint. Des algorithmes d'apprentissage par renforcement profond prédiront les tendances harmoniques avec une précision de compensation de 99 %.

De nouvelles normes (par exemple, la spécification technique chinoise 2023 pour la gestion de la qualité de l'énergie) imposent un THDi ≤ 5 % et un PF ≥ 0,95, créant une demande non négociable pour les solutions APF/SVG.