Hertz · Glossaire

Le hertz, abrégé Hz, est l'unité SI de fréquence. Un hertz signifie qu'un phénomène périodique se répète intégralement une fois par seconde. En unités de base du SI, on a donc 1 Hz = 1 s⁻¹. La période est l'inverse de la fréquence : à 50 Hz, une période dure 1/50 de seconde, soit 20 millisecondes. L'unité porte le nom du physicien Heinrich Hertz. Pour la vitesse angulaire ou pulsation (ω = 2π·f), les règles du SI n'utilisent pas le hertz, mais le radian par seconde. La fréquence en hertz doit donc être multipliée par 2π pour obtenir la pulsation.

Dans un système de courant alternatif, la fréquence décrit combien de fois l'état électrique se répète de manière périodique. Une tension alternative sinusoïdale de 50 hertz parcourt 50 périodes complètes par seconde. La polarité change deux fois par période, soit 100 fois par seconde. La tension passe donc par zéro 100 fois par seconde.

Dans le réseau interconnecté d'Europe continentale, la fréquence nominale est de 50 hertz. Cette fréquence n'est pas une propriété d'une centrale, d'une ligne ou d'un raccordement domestique isolés. Il s'agit d'une grandeur d'exploitation commune du système électrique interconnecté de manière synchrone. Tous les générateurs synchrones directement couplés tournent en phase avec cette fréquence. Un générateur bipolaire tourne à 3000 tours par minute à 50 Hz, un générateur à quatre pôles à 1500. C'est pourquoi la fréquence du réseau constitue une indication immédiate de l'adéquation, à un instant donné, entre production et consommation dans l'ensemble de la zone synchrone.

Distinction par rapport à l'énergie, à la puissance, à la tension et au courant

Le hertz ne mesure ni l'énergie ni la puissance. Cette distinction est importante, car l'unité est facilement confondue avec d'autres grandeurs dans les débats sur l'électricité. Les différentes unités signifient ce qui suit :

La puissance se mesure en watts et décrit la quantité d'énergie convertie par unité de temps.
Le travail électrique, c'est-à-dire une quantité d'électricité, est le plus souvent exprimé en kilowattheures.
La tension se mesure en volts, l'intensité du courant en ampères.
Le hertz, en revanche, décrit la rapidité avec laquelle une oscillation se répète dans le temps.

Néanmoins, la fréquence dans le réseau électrique est une grandeur clé pour le bilan de puissance. Les écarts par rapport à 50 hertz résultent en effet d'un déséquilibre entre injection et soutirage. Dans la réglementation européenne relative à l'exploitation des réseaux, ce lien apparaît aussi dans l'unité mégawatt par hertz (MW/Hz). Elle indique quelle puissance une zone de réseau mobilise pour un écart de fréquence donné.

La fréquence du réseau, expression du bilan instantané de puissance

Si, à un instant donné, le réseau interconnecté soutire plus de puissance électrique qu'il n'en reçoit, la fréquence baisse. Si l'injection dépasse la consommation, elle augmente. On peut le comparer à un vélo en montée : sans effort supplémentaire de pédalage, il ralentit ; en descente sans frein, il accélère. Physiquement, cette relation résulte du couplage entre la puissance électrique et le mouvement mécanique de rotation dans les générateurs synchrones. S'y ajoute la régulation de l'électronique de puissance moderne. Les masses tournantes des grandes turbines et des grands générateurs stockent de l'énergie cinétique. Cette inertie freine automatiquement les variations de fréquence et laisse aux régulations le temps de réagir.

La fréquence du réseau est un indicateur d'état du système électrique, mais uniquement pour le bilan de puissance de l'ensemble de la zone synchrone. Elle ne montre pas sur quelle ligne se situe une congestion, si un réseau local est surchargé ou si une région dispose de suffisamment de puissance garantie. Les problèmes de réseau locaux se manifestent plutôt dans le maintien de la tension, dans la charge en courant des équipements ou dans les systèmes de protection.

En fonctionnement normal, les écarts sont faibles. Pour l'Europe continentale, la ligne directrice de l'UE sur l'exploitation du réseau de transport (règlement (UE) 2017/1485) fixe une plage de fréquence standard de ±50 mHz, soit environ 49,95 à 50,05 Hz. L'écart instantané maximal est fixé à 800 mHz. En régime permanent, c'est-à-dire après l'atténuation de la première réaction, l'écart ne doit pas dépasser 200 mHz. Après une perturbation, la fréquence doit être rétablie dans un délai de 15 minutes. D'autres zones synchrones ont leurs propres valeurs : la Grande-Bretagne a par exemple une plage standard de ±200 mHz, l'Europe du Nord de ±100 mHz. La fréquence fluctue constamment légèrement, car la consommation et la production ne sont jamais exactement prévisibles. L'industrie, les chemins de fer, les centres de données, les pompes à chaleur et l'infrastructure de recharge modifient leur charge. Le vent et le soleil modifient leur injection.

Régulation échelonnée et mesures d'urgence

Pour une exploitation stable du réseau, il existe des mécanismes échelonnés de maintien de la fréquence. Agit d'abord automatiquement la réserve de stabilisation de la fréquence (Frequency Containment Reserve, FCR). En Europe continentale, elle est entièrement activée pour un écart de ±200 mHz. Elle doit démarrer le plus tôt possible et sans retard artificiel. Au plus tard après 15 secondes, au moins la moitié, et après 30 secondes la totalité de la puissance FCR doit être disponible. Pour des écarts plus faibles, elle est sollicitée proportionnellement. Ensuite, les réserves de restauration de la fréquence et les réserves de remplacement relaient la réserve rapide et ramènent la fréquence à 50 Hz.

Ces processus relient physique, règles de marché et responsabilités. Les gestionnaires de réseau de transport se procurent de l'énergie de réglage, les prestataires fournissent les capacités techniques. Les responsables d'un périmètre d'équilibre doivent planifier leurs injections et soutirages de manière aussi équilibrée que possible.

Si les réserves ne suffisent pas après une perturbation majeure, des mesures d'urgence automatiques interviennent. Le code de réseau relatif à l'état d'urgence et à la reconstitution du réseau (règlement (UE) 2017/2196) prescrit pour l'Europe continentale un délestage en cas de sous-fréquence. Il commence au plus tard à 49 Hz avec environ 5 pour cent de la charge totale nationale. Jusqu'à 48 Hz, environ 45 pour cent de la charge au total sont délestés en au moins six étapes. En cas de surfréquence, les installations de production doivent réduire leur puissance active ou sont déconnectées du réseau par paliers. En Allemagne, la règle d'application VDE-AR-N 4142 met en œuvre ces exigences.

Distinction par rapport à la qualité de l'électricité et à la sécurité d'approvisionnement

Une fréquence stable ne signifie pas automatiquement que chaque ligne est suffisamment dimensionnée. Elle ne signifie pas non plus que la tension reste dans les limites admissibles dans chaque réseau de distribution. À l'inverse, un problème de réseau local peut survenir alors que la fréquence reste normale dans l'ensemble de la zone interconnectée. La sécurité d'approvisionnement ne peut pas non plus se déduire de la seule fréquence. Elle suppose de couvrir la demande, d'exploiter les réseaux en sécurité, de maintenir des réserves et de maîtriser les perturbations. La fréquence ne dit par exemple pas si, dans deux semaines, une puissance de centrales suffisante sera disponible ou si un redispatching sera nécessaire.

La qualité de l'électricité comprend, outre la fréquence, la forme de la tension. Idéalement, la tension alternative est sinusoïdale. L'électronique de puissance, les moteurs ou les installations industrielles peuvent toutefois générer des harmoniques, c'est-à-dire des composantes à des multiples entiers de la fréquence fondamentale, comme 150 ou 250 Hz. Ces composantes sont certes également exprimées en hertz. Mais quiconque parle de 50 hertz dans l'exploitation du réseau désigne la fréquence fondamentale et non ces distorsions de la forme d'onde.

Pourquoi 50 hertz n'est pas une simple valeur numérique

Les 50 hertz sont le fruit d'une évolution historique et technique. L'Amérique du Nord et de grandes parties de l'Amérique centrale utilisent 60 hertz ; au Japon, les deux fréquences coexistent même. Dans un système interconnecté existant, la fréquence est inscrite dans les appareils, les machines, les systèmes de protection, les normes et les processus d'exploitation. Les moteurs, transformateurs, générateurs et certains appareils de mesure et de régulation sont conçus pour elle. Un changement ne serait donc pas un simple changement de norme, mais une intervention sur de larges parties de l'infrastructure. Les réseaux de fréquences différentes ou sans couplage synchrone sont généralement reliés par des liaisons à courant continu haute tension.

De nombreux appareils électroniques sont aujourd'hui moins sensibles à la fréquence, car leurs blocs d'alimentation redressent d'abord la tension alternative. Le fait qu'un chargeur d'ordinateur portable s'accommode de 50 et 60 Hz en dit toutefois peu sur le système électrique. Les grands moteurs, les processus industriels, les transformateurs, les systèmes de protection et les générateurs restent dépendants de la fréquence. La coordination dans le réseau interconnecté suppose elle aussi une fréquence commune.

La fréquence face à l'évolution de la production

Les générateurs synchrones conventionnels apportent physiquement une inertie rotative. Les installations photovoltaïques, la plupart des batteries de stockage et de nombreuses éoliennes sont en revanche raccordées par des onduleurs. Ils peuvent réguler très rapidement, mais exigent pour cela des exigences techniques, des grandeurs de mesure et des modes de fonctionnement appropriés. Un onduleur suiveur de réseau s'aligne sur une fréquence de réseau existante. Un onduleur formateur de réseau peut lui-même imposer une tension avec une référence de fréquence. Il peut ainsi assumer des fonctions autrefois étroitement liées aux générateurs synchrones. Il en résulte des exigences pour les règles de raccordement, les services système et les mécanismes d'approvisionnement.

Malentendus courants

Tout écart de fréquence ne signifie pas que le réseau s'effondre aussitôt. De petites fluctuations dans ±50 mHz sont normales et sont corrigées en permanence. La situation devient critique lorsque les écarts sont importants, évoluent très rapidement ou que les réserves sont insuffisantes. Les systèmes de protection déconnectent alors des installations ou déclenchent des délestages. L'amplitude, la durée et la vitesse de variation de l'écart sont déterminantes.
Un écart de fréquence ne peut pas simplement être attribué à un lieu. La fréquence étant largement commune dans la zone synchrone, elle ne montre pas quel pays, quelle installation ou quel groupe de consommateurs en était responsable. Cela est établi au moyen des programmes de marche, des périmètres d'équilibre, des données de mesure, des appels d'énergie de réglage et des analyses d'exploitation du réseau.
L'affirmation selon laquelle les énergies renouvelables ne contribueraient pas à la stabilité de la fréquence est trop sommaire. Elles requièrent pour cela des fonctions d'onduleur appropriées, des réserves et des exigences. Une installation photovoltaïque qui injecte déjà tout en plein soleil ne peut pas fournir de puissance active supplémentaire, mais peut réduire sa puissance en cas de surfréquence. Une batterie de stockage peut réagir très rapidement si son état de charge le permet. La question de la fréquence conduit ainsi directement à la flexibilité et à la conception du marché.

Le hertz n'est d'abord que l'unité d'une répétition périodique. En tant que fréquence du réseau, il relie toutefois le couplage physique entre production et consommation aux règles sur les réserves, les responsabilités et l'exploitation du réseau. Qui emploie le hertz avec précision sépare la fréquence de l'énergie, de la puissance, de la tension et de la sécurité d'approvisionnement. On comprend en même temps pourquoi quelques centaines de millihertz d'écart par rapport à 50 Hz ont une grande importance.

Sources

Verordnung (EU) 2017/1485 der Kommission zur Festlegung einer Leitlinie für den Übertragungsnetzbetrieb — Europäische Union, EUR-Lex; 2017-08-02. Art. 3 (K-Faktor in MW/Hz), Art. 127, Art. 154, Anhang III Tabelle 1, Anhang V
Commission Regulation (EU) 2017/1485 (englische Fassung, ELI) — Europäische Union, EUR-Lex; 2017-08-02. Art. 154 Abs. 7 Buchst. a–e; Anhang III
Verordnung (EU) 2017/2196 der Kommission zur Festlegung eines Netzkodex über den Notzustand und den Netzwiederaufbau des Übertragungsnetzes — Europäische Union, EUR-Lex; 2017-11-24. Art. 15 und 16 sowie Anhang (Parameter des Lastabwurfs)
PTB-Mitteilungen 2/2025: Das Internationale Einheitensystem (SI) — Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB); 2025-05. Abschnitt zu abgeleiteten Einheiten mit besonderem Namen (Tabelle Frequenz: Hertz, Hz = s⁻¹) und Anmerkungen

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Edited by eCMS on 12.11.2026 05:05