Onduleurs photovoltaïques connectés au réseau électrique

Jeudi 7 juillet 2011

Au niveau mondial, le marché des systèmes photovoltaïques connaît, depuis maintenant plus de dix années, un taux de croissance très élevé, de l’ordre de 30 à 40% par an.

Cette croissance exceptionnelle, due principalement aux systèmes photovoltaïques connectés au réseau de distribution d’électricité, se traduit évidemment par d’importantes innovations technologiques et une baisse de coût des modules photovoltaïques mais aussi à des efforts importants de recherche et développement dans le domaine de l’électronique de puissance.

En effet, les performances techniques et la fiabilité des onduleurs utilisés pour le raccordement des systèmes photovoltaïques au réseau de distribution d’électricité, sont des paramètres qui peuvent très fortement faire varier la production d’énergie électrique annuelle et donc la rentabilité financière d’un système.

Dans les systèmes photovoltaïques connectés au réseau (Figure 1), l’un des objectifs que doit réaliser l’onduleur connecté au réseau, est le contrôle du courant issu du champ de modules photovoltaïques et de la puissance injectée au réseau suivant les normes en vigueur. De ce fait, les spécifications standards servant à la conception d’un onduleur connecté concerneront la puissance nominale, la tension nominale du réseau, la tension maximale du DC-bus, le contrôle de l’onduleur etc.

Figure 1. Système photovoltaïque connecté au réseau électrique

Figure 1. Système photovoltaïque connecté au réseau électrique

Certains aspects peuvent apporter des améliorations significatives dans la conception et la réalisation pratique des onduleurs connectés au réseau, à savoir le contrôle de la puissance, le contrôle du facteur de puissance, la réduction du taux de la distorsion harmonique, l’élimination de la composante continue du courant injecté au réseau et surtout l’utilisation du contrôle digital.

La plupart des systèmes de contrôle sont basés sur l’emploi et l’utilisation des dispositifs de type microprocesseur, principalement DSP « Digital Signal Processing » ou l’utilisation du hardware spécifique FPGA « Field Programmable Gate Array » en exploitant les caractéristiques liées au hardware spécifique, spécialement la concurrence, la flexibilité, la reconfiguration et la vitesse de traitement. De ce fait, le contrôle implémenté à base de hardware spécifique propose d’exploiter la simplicité, en recherchant les opérations les plus élémentaires, à une fréquence élevée.

Les onduleurs connectés doivent répondre aux exigences suivantes : assurer une connexion optimale à partir des modules photovoltaïques, tout en prenant soin du fonctionnement de l’onduleur, améliorer le rendement du contrôle de l’onduleur connecté par rapport aux techniques obtenues actuellement dans les systèmes photovoltaïques connectés au réseau et améliorer la qualité de la puissance électrique générée et injectée.

Topologies des systèmes photovoltaïques connectes au réseau électrique

Il existe différentes topologies de gestion de ces systèmes photovoltaïques connectés au réseau. Néanmoins, toutes ces approches reposent sur un générateur photovoltaïque ‘GPV’ raccordé au réseau par le biais d’onduleurs qui transfèrent et mettent en forme l’énergie solaire électrique. Les progrès réalisés dans le développement des onduleurs dédiés au photovoltaïque ont permis de faire évoluer grandement ces systèmes de gestion.

Les onduleurs ne se limitent plus seulement à transformer la puissance continue (DC) générée par les modules solaires en puissance alternative sous forme d’une tension sinusoïdale de fréquence souhaitée (230 V/400V – 50Hz), mais ils exploitent également la puissance délivrée par le générateur photovoltaïque en le forçant à fonctionner à son point de puissance maximum.

De plus, ils assurent une surveillance fiable du réseau pour protéger ce dernier contre les pannes et interrompre, l’alimentation en cas de problèmes survenant, soit du réseau, soit de l’installation.

Actuellement, il existe principalement trois architectures d’onduleurs donnant de bonnes solutions techniques : l’onduleur central, les onduleurs strings et les onduleurs intégrés aux modules (Figure 2).

Figure 2. Topologies des systèmes photovoltaïques connectés à un réseau électrique

Figure 2. Topologies des systèmes photovoltaïques connectés à un réseau électrique

Configuration des onduleurs string et multi-string

Les systèmes String et Multistring, comme il a été mentionné précédemment, sont une combinaison des différentes branches de modules photovoltaïques avec l’onduleur de connexion. L’onduleur peut être d’une étape ou de deux étapes avec transformateur ou sans transformateur.

Les différentes configurations des onduleurs photovoltaïques sont montrées sur la figure 3. Dans le cas de la topologie string, l’onduleur n’a pas besoin d’utiliser le convertisseur DC-DC. Par contre dans la topologie multi string, l’onduleur utilise toujours le convertisseur DC-DC.

L’isolement galvanique de l’onduleur connecté au réseau dépend des normes de chaque pays. Par exemple en USA, l’isolement galvanique est toujours exigé. Pour l’isolement galvanique, on utilise un transformateur de basse fréquence (low frequency) LF (fréquence du réseau) ou un transformateur HF de haute fréquence (high frequency).

Cette dernière solution est plus compacte, mais il faut faire attention dans la conception de transformateurs afin de minimiser les pertes. Le point clé dans le design de l’onduleur reste toujours le rendement de conversion DC-AC. Les pertes de l’onduleur dépendent surtout du transformateur.

Le rendement de l’onduleur sans transformateur dans les mêmes conditions s’élève de 2 %. Considérant que dans les années 1988 et 1990 le rendement européen des onduleurs de 1,5 kW à 3 kW est l’ordre de 85,5 - 90 %, et s’est élevé dans les années 1995 à 90 - 92 % pour les onduleurs avec transformateur. Les onduleurs de cette puissance et sans transformateur atteignent des valeurs de 92,5 – 94 %.

Des essais calculant le rendement global de l’onduleur avec et sans transformateur ont été effectués et dans les deux cas, le rendement obtenu est très élevé.

Figure 3. Configurations des onduleurs photovoltaïques

Figure 3. Configurations des onduleurs photovoltaïques

Le rendement est de 1 - 2,5 % entre les onduleurs avec et sans transformateur. Un programme d’échantillonnage a été réalisé sur des onduleurs pendant plusieurs années et il a été démontré que les onduleurs avec transformateur présentent de meilleures fiabilités à long terme.

Le rendement de chacun des onduleurs est calculé en six points différents du fonctionnement de l’onduleur, basée sur les valeurs moyennes.

Contrôle des onduleurs connectes au réseau

Généralement, dans un système photovoltaïque connecté au réseau électrique, c’est le courant que l’onduleur injecte au réseau qui doit être réellement contrôlé (Figure 4). Celui-ci sera la variable à réalimenter dans l’onduleur quand il est planifié de fermer la boucle de régulation.

Figure 3. Configurations des onduleurs photovoltaïques

Figure 4. Structure de contrôle du système photovoltaïque connecté au réseau

Dans la plupart des applications des onduleurs VSI ‘Voltage Source Inverter’ avec modulation de largeur d’impulsion PWM, les convertisseurs possèdent une structure de contrôle composée d’une boucle interne de courant. A cause de la forme aléatoire de l’onde du courant de sortie de l’onduleur, le contrôleur du courant a pour objectif d’obtenir des courants de sortie de l’onduleur qui suivent fidèlement une référence imposée. Le courant de sortie devra être le plus sinusoïdal possible avec une distorsion harmonique faible comme l’exigent les normes d’un système de connexion au réseau.

Le rendement de l’onduleur dépend pour une grande partie de la stratégie de commande utilisée. Cependant le contrôle de courant est un des sujets les plus importants dans les applications des onduleurs du fait des avantages qu’il présente et qui sont : un contrôle du courant instantané et une grande précision, une protection maximale du courant, une très bonne dynamique, une compensation de la chute de tension des semi-conducteurs et du temps mort du convertisseur et une compensation de la tension du bus continu et des variations de la tension de sortie.

Linda Hassaine

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