Fréquence · Glossaire

Dans le réseau à courant alternatif, la fréquence indique combien d'oscillations complètes la tension et le courant effectuent par seconde. Son unité est le hertz (Hz), 1 Hz correspondant à une oscillation par seconde. Pour toutes les zones synchrones en Europe, la fréquence nominale est fixée juridiquement à 50 Hz. Une période dure donc 20 millisecondes. Comme la polarité s'inverse deux fois au cours de chaque période, la tension et le courant changent de sens cent fois par seconde à 50 Hz, et non cinquante fois. Les 50 Hz sont plus qu'une habitude technique. Ils constituent une grandeur d'exploitation commune pour un vaste réseau interconnecté couplé de manière synchrone, qui s'étend du Portugal jusqu'à la Turquie.

La fréquence du réseau résulte de l'interaction de tous les producteurs, charges et éléments de réseau couplés de manière synchrone. Dans un système à courant alternatif, la production et la consommation doivent concorder à chaque instant. Si davantage de puissance est soutirée qu'injectée, l'énergie manquante provient d'abord de l'énergie cinétique des machines tournantes. Celles-ci ralentissent et la fréquence baisse. Si davantage est injecté que consommé, les machines accélèrent et la fréquence monte. Le réseau ressemble à un vélo avec de nombreux cyclistes : si le groupe pédale plus fort que le vent de face ne freine, il va plus vite, sinon plus lentement. La fréquence indique donc très directement s'il existe actuellement un excédent ou un déficit de puissance.

Il faut distinguer la fréquence de la puissance électrique et de l'énergie. La puissance décrit la quantité produite ou consommée à un instant donné, par exemple en kilowatts ou en mégawatts. L'énergie est la quantité fournie ou consommée sur une période, mesurée par exemple en kilowattheures. La fréquence n'est ni une quantité de consommation ni une quantité de production, mais une grandeur d'état du système synchrone. Elle réagit aux déséquilibres de la puissance instantanée, et non à la somme annuelle de la consommation d'électricité.

La distinction avec la tension est tout aussi importante. La tension décrit la différence de potentiel entre deux points. Dans le réseau basse tension, elle est nominalement de 230 volts entre conducteur de phase et conducteur neutre ; dans le réseau de transport, elle atteint plusieurs centaines de kilovolts. La tension peut varier sensiblement d'un endroit à l'autre et dépend notamment de la puissance réactive, de la charge des lignes, des transformateurs et de l'injection locale. La fréquence, en revanche, est pratiquement identique dans toute la zone synchrone en régime établi. Ce n'est qu'immédiatement après des perturbations qu'apparaissent brièvement de petites différences régionales et des oscillations. Une variation de fréquence concerne donc l'ensemble de la zone de réseau couplée de manière synchrone.

La fréquence comme indicateur d'équilibre

La fréquence est aussi parlante parce qu'un grand réseau à courant alternatif ne stocke lui-même pratiquement pas d'énergie. Les lignes transportent de la puissance, mais ne tamponnent pas de quantités d'énergie notables. L'injection doit donc être adaptée en permanence à la consommation. À cette fin, on dispose de programmes de marche, de prévisions, du réglage des centrales, de stockages, de charges flexibles et d'énergie de réglage.

De petits écarts de fréquence sont normaux, car la consommation et l'injection changent constamment, par exemple du fait de procédés industriels, d'appareils ménagers, de rafales de vent, de champs nuageux ou de défaillances de centrales. Pour la zone synchrone d'Europe continentale, la ligne directrice de l'UE sur la gestion du réseau de transport (règlement (UE) 2017/1485) fixe des valeurs standard. Elles comprennent une plage de fréquence standard de ±50 mHz, soit de 49,95 à 50,05 Hz, et un écart quasi stationnaire maximal de 200 mHz. Immédiatement après un incident, l'écart ne doit pas dépasser 800 mHz. La fréquence doit être rétablie dans un délai de 15 minutes. Le règlement mentionne en outre une valeur cible : au maximum 15 000 minutes par an en dehors de la plage standard. Les gestionnaires de réseau de transport d'une zone synchrone peuvent proposer d'autres valeurs ; il s'agit donc de valeurs standard et non de constantes immuables. D'autres zones synchrones, comme l'Europe du Nord ou la Grande-Bretagne, fonctionnent avec d'autres bandes.

Le maintien de la fréquence commence par l'inertie physique. Les machines synchrones des centrales à charbon, à gaz, hydrauliques ou nucléaires possèdent de grandes masses tournantes. Lorsque de la puissance vient soudainement à manquer, ces masses cèdent immédiatement et sans réglage de l'énergie cinétique. La fréquence chute ainsi plus lentement, et le réglage gagne du temps. Cet effet s'appelle réserve d'inertie. Il ne s'agit pas d'une réserve de réglage au sens habituel du marché, mais d'une propriété physique des machines couplées de manière synchrone. Sa fourniture peut toutefois de plus en plus être acquise explicitement.

Interviennent ensuite des réserves de réglage échelonnées. En Europe, les dénominations des codes de réseau de l'UE se sont désormais imposées :

Réserve de maintien de la fréquence (FCR), anciennement réglage primaire : elle est activée automatiquement et de manière décentralisée via la fréquence mesurée localement et doit être entièrement fournie en 30 secondes. Sa mission est d'arrêter la chute ou la hausse de la fréquence et de la stabiliser à un niveau différent. Elle ne ramène pas la fréquence à 50 Hz. La FCR est fournie de manière symétrique et supportée collectivement dans toute la zone synchrone.
Réserve de restauration de la fréquence à activation automatique (aFRR), anciennement réglage secondaire : elle est appelée par un régulateur central puissance-fréquence du gestionnaire de réseau de transport. La première réaction intervient après environ 30 secondes, et elle doit être entièrement fournie après cinq minutes. Elle ramène à la valeur de consigne la fréquence et les échanges de puissance de la zone de réglage et relève la FCR.
Réserve de restauration de la fréquence à activation manuelle (mFRR), anciennement réglage tertiaire ou réserve minute : elle est appelée en cas de déséquilibres plus importants ou plus durables ; en Allemagne, selon les indications actuelles, elle doit être entièrement fournie en 12,5 minutes et relève l'aFRR afin que celle-ci soit à nouveau disponible.

Correction par rapport à des présentations plus anciennes : le redispatching n'est pas un échelon du réglage de la fréquence. Il sert à résoudre les congestions du réseau en déplaçant régionalement la production, sans modifier l'équilibre global. Le maintien de la fréquence est une chaîne composée de l'inertie physique et de plusieurs échelons de réglage, qui se distinguent par leur échelle de temps, leur responsabilité et leur finalité.

Pourquoi les 50 hertz ne vont pas de soi

La fréquence de consigne n'a pas à être atteinte exactement en permanence, car les appareils, moteurs, systèmes de protection et centrales sont conçus pour une plage de tolérance. La situation devient critique lorsque la fréquence s'écarte trop fortement ou trop vite. Des installations peuvent alors se déconnecter automatiquement, des fonctions de protection se déclencher ou de nouveaux déséquilibres apparaître. En cas de sous-fréquence grave, il existe une dernière mesure d'urgence, le délestage automatique dépendant de la fréquence. Selon le code de réseau de l'UE sur l'état d'urgence et la reconstitution du réseau (règlement (UE) 2017/2196), il commence en Europe continentale au plus tard à 49,0 Hz avec 5 % de la charge totale et se poursuit par paliers jusqu'à 48,0 Hz. Pour la stabilité, ce n'est donc pas seulement l'ampleur de l'écart qui est déterminante, mais aussi sa vitesse de variation et sa durée.

Avec le développement de l'énergie éolienne et solaire, la base technique du maintien de la fréquence change. Beaucoup de ces installations injectent via des onduleurs et d'autres dispositifs d'électronique de puissance et ne sont pas couplées électromécaniquement à la fréquence du réseau comme les machines synchrones. Cela ne signifie pas que les producteurs renouvelables dégradent nécessairement la stabilité. Leurs contributions doivent toutefois être fournies et régulées différemment. Les onduleurs peuvent réagir très rapidement. Pour cela, ils ont toutefois besoin d'un réglage adapté, de prescriptions, de grandeurs de mesure et d'incitations.

On assimile souvent la stabilité de la fréquence aux seules centrales conventionnelles. Celles-ci fournissaient auparavant incidemment de nombreuses propriétés stabilisatrices. Lorsqu'elles fonctionnent moins souvent, le besoin de ces propriétés demeure. Elles doivent être acquises explicitement, reproduites techniquement ou remplacées par d'autres moyens d'exploitation. Il s'agit notamment des batteries de stockage, des onduleurs formant le réseau, des volants d'inertie, des centrales de pompage-turbinage, des compensateurs synchrones rotatifs, des charges flexibles et de règles de raccordement au réseau adaptées.

Les onduleurs conventionnels suiveurs de réseau s'alignent sur un signal de tension existant et stable et injectent de la puissance de manière synchronisée sur celui-ci. Les onduleurs formant le réseau, en revanche, peuvent eux-mêmes reproduire une source de tension avec sa propre fréquence et sa propre position de phase, et reprendre ainsi des propriétés que possédaient auparavant surtout les machines synchrones, par exemple une réaction de type inertiel. Le maintien de la fréquence dépend ainsi moins de la structure du parc de centrales et davantage des capacités de chaque installation et des règles à son point de raccordement au réseau.

Malentendus dans le débat public

La fréquence est souvent utilisée comme simple mesure de la stabilité. Pourtant, des écarts sont prévus en exploitation normale et sont corrigés en continu. Une valeur de 49,99 Hz se situe dans la plage standard d'Europe continentale et n'indique pas un effondrement. Ce qui compte, ce sont l'ampleur, la durée et la vitesse de variation de l'écart ainsi que les contre-mesures disponibles.

Les prix de bourse et la fréquence ne sont pas non plus directement liés. Des prix élevés ou bas ne signifient pas un écart de fréquence. Le marché de l'électricité fonctionne avec des programmes de marche et des périodes de négociation, tandis que la fréquence naît dans l'instant physique. Il est toutefois possible que des sauts de programmes aux changements d'heure ou de quart d'heure provoquent des écarts de fréquence déterministes mesurables. Le prix indique la rareté ou l'excédent dans une zone de marché et une période de négociation, la fréquence l'équilibre physique instantané dans le réseau synchrone.

On confond en outre souvent la sécurité d'approvisionnement avec la stabilité de la fréquence. La sécurité d'approvisionnement signifie couvrir la demande même dans des conditions défavorables, exploiter les réseaux de manière fiable, maintenir des réserves et maîtriser les perturbations. La stabilité de la fréquence n'en est qu'une partie. Un système peut disposer de suffisamment d'énergie et de puissance et être pourtant vulnérable en raison d'un réglage inadapté ou d'une réserve d'inertie insuffisante. Inversement, une fréquence stable à un instant donné ne prouve pas qu'il existe à long terme suffisamment de puissance garantie.

La fréquence n'indique pas non plus où se situe une congestion dans le réseau. Un réseau de transport peut être surchargé régionalement alors que la fréquence est proche de 50 Hz. Les congestions concernent les lignes, les transformateurs, les flux de charge et l'injection régionale, tandis que le maintien de la fréquence concerne l'équilibre global. C'est pourquoi un redispatching peut être nécessaire alors que la fréquence est sans particularité.

Institutions, règles et incitations

Le maintien de la fréquence est aussi une question de responsabilités. Y participent les gestionnaires de réseau de transport et de distribution, les exploitants de centrales et de stockages, les fournisseurs, les responsables d'équilibre et les autorités de régulation. Les périmètres d'équilibre doivent compenser l'injection et le soutirage conformément aux programmes. Les gestionnaires de réseau de transport acquièrent la réserve de réglage, en Allemagne conjointement via la plateforme regelleistung.net, et coordonnent l'exploitation interconnectée. Les règles de raccordement au réseau déterminent comment les installations doivent réagir aux écarts de fréquence, par exemple par une réduction de puissance dépendant de la fréquence en cas de surfréquence.

La capacité technique seule ne suffit pas. Une batterie peut fournir de la puissance très rapidement si la mesure, la commande, la préqualification, la rémunération et l'appel concordent. Les conditions allemandes de préqualification prescrivent par exemple que la FCR doit être entièrement fournie en 30 secondes, l'aFRR en cinq minutes et la mFRR en 12,5 minutes. Une installation industrielle flexible peut soulager le réseau si elle est autorisée à proposer de manière fiable sa variation de charge et n'en est pas empêchée par des règles de tarifs de réseau ou de marché inadaptées.

Avec l'électrification croissante, cette coordination gagne en importance. Les pompes à chaleur, les véhicules électriques, les électrolyseurs et les procédés industriels électriques accroissent la demande d'électricité et modifient les profils de charge. Beaucoup de ces consommateurs peuvent, dans certaines limites, être décalés dans le temps ou régulés. Cette flexibilité peut soutenir le maintien de la fréquence et l'exploitation du système si elle est techniquement mise en valeur et intégrée institutionnellement.

La fréquence est ainsi une notion précise pour désigner le rythme instantané et l'équilibre d'un réseau à courant alternatif. Elle ne mesure pas si l'électricité est bon marché, s'il y a assez d'énergie pour l'hiver ou si une région dispose d'une capacité de réseau suffisante. Elle indique si l'injection et le soutirage concordent actuellement dans le réseau synchrone et dans quelle mesure les mécanismes techniques et organisationnels maîtrisent les écarts. C'est là que la physique, l'automatique et l'organisation du marché s'imbriquent directement.

Sources

Verordnung (EU) 2017/1485 der Kommission vom 2. August 2017 zur Festlegung einer Leitlinie für den Übertragungsnetzbetrieb — Europäische Kommission / EUR-Lex; 2017-08-02. Art. 127 (Frequenzqualität), Abs. 2–5
Commission Regulation (EU) 2017/1485, Annex III (adopted version) — legislation.gov.uk (The National Archives); 2017-08-02. Anhang III, Tabellen 1 und 2
Welche Arten der Regelreserve gibt es? — Deutsche Übertragungsnetzbetreiber (regelleistung.net); unbekannt. Abschnitte FCR, aFRR, mFRR und Vergleichstabelle
Beschreibung von Konzepten des Systemausgleichs und der Regelreservemärkte in Deutschland — Deutsche Übertragungsnetzbetreiber (regelleistung.net); unbekannt. Abschnitte zu FCR, aFRR und mFRR (Aktivierungszeiträume)
Verordnung (EU) 2017/2196 der Kommission zur Festlegung eines Netzkodex über den Notzustand und den Netzwiederaufbau des Übertragungsnetzes — Europäische Kommission / EUR-Lex; 2017-11-24. Anhang, Tabelle zum automatischen Unterfrequenz-Lastabwurf

Autres entrées du glossaire

Edited by eCMS on 12.11.2026 05:05