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L'intégration croissante des systèmes photovoltaïques (PV) dans le réseau a créé des défis pour les fournisseurs de services publics. L'une des principales préoccupations est que de nombreux composants électroniques de puissance utilisés dans ces systèmes consomment de la puissance réactive, ce qui entraîne un faible facteur de puissance et une instabilité du système. En conséquence, les méthodes de correction du facteur de puissance ont suscité un regain d’intérêt. Cet article décrit les deux méthodes les plus couramment utilisées pour la compensation de puissance réactive.
Le facteur de puissance (PF) est une mesure essentielle de l'efficacité d'un système électrique. Il représente le rapport entre la puissance réelle, exprimée en watts (P), et la puissance apparente, exprimée en voltampères (S). La puissance apparente est une combinaison de puissance réelle et de puissance réactive, mesurée en voltampère réactif (VAR ou Q).
Le facteur de puissance affecte l'efficacité globale du système, des facteurs de puissance plus faibles indiquant une consommation d'énergie moins efficace. Un facteur de puissance de un (unité) représente le fonctionnement le plus efficace, tandis que les charges inductives provoquent un facteur de puissance en retard et les charges capacitives créent un facteur de puissance avancé. Les charges résistives maintiennent généralement un facteur de puissance unitaire.
Figure 1. (a) facteur de puissance principal. (b) -facteur de puissance en retard
La correction du facteur de puissance (PFC) vise à rapprocher le plus possible le facteur de puissance de l'unité. Un mauvais facteur de puissance peut entraîner des coûts énergétiques plus élevés, une durée de vie réduite des équipements et la nécessité d'une infrastructure électrique surdimensionnée comme des câbles et des transformateurs. Par exemple, les équipements industriels tels que les moteurs à induction, les lampes à arc et les machines fonctionnant à faible charge souffrent souvent d'un facteur de puissance faible et en retard. Pour tenir compte de cela, les services publics imposent généralement des frais plus élevés aux consommateurs ayant un faible facteur de puissance, en utilisant une demande maximale ou un tarif KVA.
Les équipements fonctionnant avec un faible facteur de puissance sont sujets à la surchauffe, ce qui réduit leur durée de vie opérationnelle. Les services publics et les consommateurs s’efforcent donc d’améliorer le facteur de puissance et d’obtenir une plus grande stabilité du système et des économies de coûts.
Le principe sous-jacent de toutes les méthodes PFC est simple : pour chaque charge inductive qui provoque un facteur de puissance en retard, une charge capacitive avec un facteur de puissance en avance doit être connectée en parallèle pour rapprocher le facteur de puissance de l'unité.
Figure 2. S1 représente la puissance d'une charge, Q1 est la puissance réactive en retard et cosθ1 indique le facteur de puissance. En ajoutant une charge principale avec une puissance réactive Q2, le système forme S3, qui représente la puissance totale. Cela réduit la puissance réactive globale en retard à Q3, améliorant le facteur de puissance du système à cosθ3, le rapprochant de l'unité à P après la correction.
Il existe plusieurs méthodes pour améliorer le facteur de puissance, mais les deux plus courantes sont les batteries de condensateurs et les condensateurs synchrones.
Les batteries de condensateurs sont constituées de plusieurs condensateurs qui stockent l'énergie et fournissent de la puissance réactive au système. Ils peuvent être connectés en configuration triangle ou étoile (étoile). Les condensateurs de puissance sont évalués en KVAR, ce qui représente la quantité de puissance réactive qu'ils génèrent.
Une formule est utilisée pour calculer la puissance réactive (KVAR) fournie par un condensateur en fonction de sa capacité (C), de la tension du système (V) et de la fréquence (f) :
KVAR=C×2π×f×V2×10−9\text{KVAR} = C \times 2\pi \times f \times V^2 \times 10^{-9}10 −9
Les batteries de condensateurs sont généralement conçues pour fonctionner par étapes, chaque étape délivrant un niveau différent de puissance réactive. Cette approche par étapes permet de répondre aux différents besoins en énergie au sein d'un système. Les batteries de condensateurs sont également équipées de composants de protection, tels que des fusibles, des contacteurs et des disjoncteurs, pour éviter la surchauffe et les défauts électriques.
Pour les systèmes présentant une distorsion de tension importante, des selfs de désaccord sont souvent ajoutées à la conception de la batterie de condensateurs. De plus, les résistances de décharge garantissent que les condensateurs se déchargent en toute sécurité lorsqu'ils sont déconnectés de l'alimentation électrique.
En termes de rentabilité, les batteries de condensateurs fournissent un système stable, réduisent la consommation de KVAH et offrent une bonne période de récupération. Par exemple, en comparant deux systèmes avec chacun une charge de 60 kW fonctionnant à un facteur de puissance de 0,6 pendant 10 heures par jour, le système doté d'une batterie de condensateurs qui améliore le facteur de puissance jusqu'à l'unité permet d'économiser considérablement sur la facture énergétique annuelle.
Un condenseur synchrone est essentiellement un moteur synchrone surexcité fonctionnant à vide. Lorsqu’il est connecté en parallèle avec d’autres charges, il génère la puissance réactive nécessaire pour améliorer le facteur de puissance du système.
Le niveau de puissance réactive générée dépend du courant d'excitation du moteur. Dans l'état surexcité, le condenseur synchrone génère de la puissance réactive avec un facteur de puissance avancé. Un contrôleur d'excitation automatique permet de réguler le niveau d'excitation du moteur en fonction des besoins en puissance réactive en temps réel du système.
L'avantage des condensateurs synchrones réside dans leur capacité à ajuster avec précision la quantité de puissance réactive générée, contrairement aux batteries de condensateurs qui fonctionnent par étages fixes. Cette flexibilité est particulièrement importante dans les grands systèmes électriques avec des demandes de puissance réactive fluctuantes.
Figure 3. Diagramme de phaseur illustrant l'ajout d'un condenseur synchrone surexcité à une charge en retard.
Bien que les batteries de condensateurs et les condensateurs synchrones répondent à des objectifs similaires, ils sont généralement utilisés dans des applications différentes. Les batteries de condensateurs sont plus courantes dans les environnements industriels et les petites sous-stations, tandis que les condensateurs synchrones conviennent mieux aux applications de forte puissance, telles que les centrales électriques dépassant 200 MVA et les stations de conversion HVDC.
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