L’Onduleur Photovoltaïque pour Systèmes PV Connectés au Réseau
Comme nous le savons déjà, les cellules solaires photovoltaïques produisent une puissance continue en DC (courant continu) et, par conséquent, lorsqu’un système solaire photovoltaïque doit être connecté directement au réseau électrique ou contient une charge en AC (courant alternatif), une conversion de la puissance électrique DC en AC est nécessaire. L’Onduleur Photovoltaïque fournit cette conversion de DC à AC en utilisant des techniques de commutation électronique.
L’Onduleur Photovoltaïque est un appareil électronique important qui convertit la puissance électrique générée par le champ solaire PV en un approvisionnement électrique AC propre, adapté pour être injecté directement dans le réseau électrique. L’application typique d’un onduleur solaire unique est de convertir la faible tension d’entrée en un approvisionnement électrique AC domestique conventionnel de la bonne fréquence et tension, nous permettant d’utiliser des appareils électroménagers lorsque l’approvisionnement électrique AC n’est pas disponible.
Symbole de l’Onduleur Photovoltaïque
En termes pratiques, l’onduleur nous permet de faire fonctionner des perceuses électriques, des ordinateurs, des aspirateurs, des éclairages sur réseau et la plupart des appareils électriques qui peuvent être branchés sur des prises murales. Si l’onduleur est suffisamment puissant, alors des appareils plus gros tels que des congélateurs, réfrigérateurs et lave-linge peuvent également être utilisés.
Tous ces appareils standards de 120 ou 240 volts en AC peuvent être alimentés directement soit par le champ solaire PV, soit par conversion de l’énergie stockée dans des batteries de secours à l’aide de l’onduleur photovoltaïque de taille appropriée. Le fonctionnement d’un onduleur est généralement silencieux, avec sa puissance de sortie disponible chaque fois qu’elle est nécessaire. Ainsi, les systèmes de batteries autonomes peuvent faire fonctionner presque n’importe quel appareil commercial standard, 24 heures sur 24.
Tandis qu’un seul onduleur peut suffire pour une installation domestique, plusieurs unités deviennent la norme à mesure que nous avançons dans l’échelle de puissance et leur efficacité, fiabilité et sécurité sont des préoccupations majeures du concepteur du système.
Configurations d’Onduleurs Photovoltaïques
Configuration d’Onduleur Central
Configuration d’Onduleur Central – Plusieurs branches du champ sont connectées ensemble en parallèle. La sortie complète du champ est convertie en AC via un seul onduleur solaire central et ensuite alimentée dans le réseau. L’onduleur unique reçoit une tension d’entrée DC et un courant qui peuvent être assez importants selon la configuration du champ.
Ce type de configuration d’onduleur offre une bonne efficacité, un faible coût et une fiabilité moyenne. Étant donné que les panneaux photovoltaïques dans le même champ sont uniformément adaptés, le suivi du point de puissance maximum (MPPT) sélectionné par l’onduleur pour l’ensemble du champ garantit que tous les panneaux photovoltaïques fonctionnent à leur puissance maximale ou à proximité.
Configuration d’Onduleur de Branche
Configuration d’Onduleur de Branche – Chaque branche ou chaîne possède son propre onduleur. Chaque branche individuelle peut donc avoir un nombre différent de panneaux photovoltaïques, différents types de panneaux, positions, orientations ou souffrir d’ombrage complet ou partiel. Le résultat est que chaque onduleur produit une sortie de puissance différente par rapport à son champ connecté.
Par conséquent, le champ ne peut pas être caractérisé efficacement par un seul point de puissance maximale (MPP), car chaque onduleur fonctionnera à un point de puissance maximale différent par rapport aux autres. L’avantage principal de ce type de configuration d’onduleur est que chaque branche solaire peut être située à un endroit ou une position différente et non pas tous ensemble dans un seul champ.
Configuration d’Onduleur Individuel
Configuration d’Onduleur Individuel – Chaque panneau solaire photovoltaïque a son propre onduleur. Cela permet à l’onduleur de sélectionner le point de puissance optimum pour le panneau, offrant une très bonne efficacité mais à un coût supérieur par kWp. Plus de composants dans le champ signifient une fiabilité réduite et plus de maintenance.
Un nombre croissant de fabricants de panneaux solaires proposent des panneaux PV individuels avec des onduleurs photovoltaïques intégrés directement dans le panneau, permettant à chaque panneau solaire d’être sa propre source d’alimentation AC complète, pouvant être branchée directement sur le réseau électrique.
Les onduleurs solaires connectés au réseau synchronisent l’électricité qu’ils produisent avec le courant AC du réseau local, permettant au système d’injecter directement l’électricité produite par le solaire dans le réseau, généralement via un second compteur électrique kWh « net ».
La plupart des onduleurs connectés au réseau sont conçus pour fonctionner sans batteries de secours, mais des modèles d’onduleurs basés sur batteries sont également disponibles. Ces onduleurs basés sur batteries peuvent être utilisés tant dans un système PV autonome que dans un système PV connecté au réseau. À mesure que les onduleurs modernes incluent un chargeur de batterie intégré, capable de charger un banc de batteries directement à partir du réseau pendant des jours nuageux ou mauvais.
Des onduleurs solaires de haute qualité sont disponibles dans des tailles allant de quelques 100 watts, pour alimenter des lumières, des ordinateurs portables et des consoles de jeux dans votre voiture, jusqu’à des dizaines de kilowatts, pour alimenter de grands systèmes solaires résidentiels avec des onduleurs connectés au réseau conçus pour s’arrêter automatiquement en cas d’absence d’alimentation réseau pour des raisons de sécurité.
Les onduleurs solaires sont disponibles dans une large gamme de tailles de puissance et de classifications de tension pour convenir presque à toutes les combinaisons d’installation, mais il existe essentiellement trois types d’onduleurs solaires de DC à AC : onde carrée, onde sinusoïdale modifiée et onde sinusoïdale pure.
Formes d’Ondulation de Sortie de l’Onduleur
Onduleur Solaire à Onde Carrée
L’Onduleur Solaire à Onde Carrée est le type d’onduleur le plus simple et le moins cher disponible. Il n’est généralement pas utilisé commercialement en raison de sa faible qualité de puissance de sortie et de ses très grandes harmoniques. Les onduleurs à onde carrée équipés d’étages de sortie thyristors coupent et inversent (d’où le nom Onduleur) la puissance DC d’entrée positive pour générer un signal AC de sortie alternée positive à négative en forme d’onde carrée qui est ensuite filtré pour approximer une onde sinusoïdale et éliminer les harmoniques indésirables.
Les onduleurs à onde carrée moins chers peuvent également utiliser des circuits à transistors push-pull avec des transformateurs élévateurs pour produire la tension de sortie requise. Les onduleurs à onde carrée sont réellement utilisés uniquement dans de petits systèmes PV autonomes capables de faire fonctionner des choses simples comme l’éclairage ou des outils manuels avec des moteurs universels sans problème – mais pas grand-chose d’autre.
Onduleur Solaire à Onde Sinusoïdale Modifiée
L’Onduleur Solaire à Onde Sinusoïdale Modifiée, également appelé onduleur quasi-sinusoïdal, est fondamentalement un onduleur à onde carrée modifiée qui produit un signal de sortie en forme d’onde carrée avec une faible distorsion harmonique et un petit temps « OFF » entre les demi-cycles positif et négatif lorsque l’onduleur inverse la polarité.
Les onduleurs à onde sinusoïdale modifiée conviennent à la plupart des types de charges électriques et électroniques, et sont un type populaire d’onduleurs sur le marché des consommateurs aujourd’hui en raison de leur bonne efficacité de conversion, de leur coût relativement bas, et peuvent être utilisés dans des installations solaires où la forme d’onde n’est pas si importante.
Cependant, les onduleurs à onde sinusoïdale modifiée peuvent ne pas permettre aux imprimantes, copieurs, variateurs de lumière, outils rechargeables et variables de fonctionner correctement en raison de l’action de commutation de l’étage de sortie des onduleurs. De plus, certains amplificateurs audio et radios peuvent produire un bourdonnement de basse fréquence en raison des composants de commutation de sortie des onduleurs.
Onduleur Solaire à Onde Sinusoïdale Pure
L’Onduleur Solaire à Onde Sinusoïdale Pure produit une forme de tension AC de haute qualité avec une faible distorsion harmonique totale (THD) semblable à celle que vous obtenez de votre compagnie électrique locale. Ils sont utilisés lorsque la sortie d’onde sinusoïdale propre est nécessaire pour faire fonctionner des dispositifs sensibles tels que des équipements électroniques, des imprimantes, des copieurs, des stéros, etc.
Les onduleurs à onde sinusoïdale pure sont requis comme standard par la plupart des compagnies d’électricité dans le cadre d’un système solaire photovoltaïque connecté au réseau. Ils assurent également un survol à haute tension garantissant la stabilité du réseau électrique connecté. Les systèmes photovoltaïques (PV) équipés de HVRT jouent un rôle essentiel dans la stabilisation du réseau lors de fluctuations causées par des changements soudains dans la charge ou la capacité de production.
En conséquence, les onduleurs à onde sinusoïdale vraie ont un coût beaucoup plus élevé que les types précédents pour la même puissance, principalement en raison de leurs meilleurs circuits électroniques internes. Leur tension de sortie peut être contrôlée soit en mode onde carrée, soit en mode à largeur d’impulsion modulée (PWM).
Dans les circuits d’onde sinusoïdale pure en PWM, la tension de sortie et la fréquence sont contrôlées en variant le cycle de travail des impulsions de haute fréquence. La tension découpée passe ensuite par un réseau de filtre passe-bas LC pour produire une sortie sinusoïdale propre.
Cela permet de bien contrôler la tension et la fréquence de sortie, garantissant que toute charge AC à l’intérieur des limites de puissance de l’onduleur fonctionnera correctement. Les onduleurs à onde sinusoïdale pure ne sont généralement pas adaptés aux systèmes solaires résidentiels en raison de leur coût trop élevé et de leur inefficacité, des onduleurs à onde sinusoïdale « en escalier » étant plutôt utilisés.
Seuls les onduleurs de haute qualité en haut de gamme fournissent réellement une onde sinusoïdale pure comme forme de sortie. En outre, certains des onduleurs à onde sinusoïdale pure de haute gamme possèdent des circuits de suivi solaire ou un suivi du point de puissance maximum (MPPT) intégrés, afin de fonctionner de manière optimale avec un champ PV de suivi solaire motorisé.
La plupart des modèles d’ondes sinusoïdales disponibles sur le marché produisent une variation de l’onduleur à onde sinusoïdale modifiée ci-dessus. Leur sortie de tension n’est pas une sinusoïde pure, mais ils peuvent faire fonctionner presque tout ce qui peut être connecté au réseau local. En termes d’efficacité, les onduleurs à onde sinusoïdale fonctionnent mieux que les onduleurs sinusoïdaux purs.
Sélection de l’Onduleur Photovoltaïque
Après les panneaux PV eux-mêmes, les Onduleurs Photovoltaïques sont la partie suivante la plus importante d’un système PV connecté au réseau et par conséquent, la puissance d’entrée DC de l’onduleur doit être choisie pour correspondre au panneau PV ou au champ.
En général, les onduleurs de puissance sont sélectionnés pour un système solaire particulier en fonction de la charge maximale, du pic maximal requis, de la tension de sortie AC requise, de la tension de batterie d’entrée et de toute fonction optionnelle nécessaire. La taille d’un onduleur est mesurée par sa puissance de sortie continue maximale en watts et cette évaluation doit être supérieure à la puissance totale de tous les appareils AC raccordés en même temps.
Aussi, des appareils électriques tels que lave-linge, sèche-linge, réfrigérateurs et congélateurs qui utilisent des moteurs électriques nécessitent plus de puissance pour démarrer que pour fonctionner.
Cette forte consommation d’énergie au démarrage peut être plus du double de la consommation normale, ce qui doit être pris en compte lors du dimensionnement de la puissance d’un onduleur. La plupart des onduleurs de puissance peuvent délivrer trois à cinq fois leur puissance nominale pour des pics temporaires et des conditions de surcharge.
Supposons que nous ayons calculé la consommation totale d’énergie AC de notre maison et que nous aurions besoin d’un onduleur solaire de 2500W ou 2.5kW. Les panneaux solaires PV qui nous intéressent sont des panneaux en silicium monocristallin de 24 volts évalués à 140 watts en crête. Diviser 2500W par 140 watts signifie que 18 panneaux photovoltaïques seront nécessaires, produisant un total de 2520 watts.
Mais comment connecter ces 18 panneaux à l’onduleur ? Nous savons d’après des tutoriels précédents que les panneaux solaires photovoltaïques peuvent être connectés ensemble comme des batteries, et dans une combinaison en série, la tension s’ajoute, avec un courant constant à travers chaque panneau, et dans une combinaison en parallèle, le courant s’ajoute avec une tension constante à travers chaque panneau.
Nous devons d’abord calculer combien de modules peuvent être connectés ensemble dans une branche en série. La fiche technique de notre onduleur nous indique que la tension d’entrée du suivi du point de puissance maximum (MPPT) est comprise entre 175 et 480 volts avec un courant maximum de 15 ampères. La tension à circuit ouvert (Voc) de chaque panneau PV de 24 volts à 25oC est donnée comme 36.8 volts.
Nous pouvons alors voir que le nombre maximum de panneaux que nous pouvons connecter ensemble dans une unique branche en série est calculé comme suit : 480/36.8 = 13 panneaux. De même, le nombre minimum de panneaux PV de 24 volts requis pour maintenir la tension de MPPT au-dessus du minimum de 175 volts est calculé comme suit : 175/24 = 7.3, soit 8 panneaux.
Alors pour rester à l’intérieur des limites de tension d’entrée de l’onduleur pour notre exemple simple, de sorte que la tension du champ PV ne soit ni inférieure à 175V ni supérieure à 480V, un champ de branche entre 8 et 13 panneaux PV solaires est nécessaire. Étant donné que notre champ calculé se compose de 18 panneaux, deux branches ou chaînes de 9 panneaux PV de 24 volts chacune sont acceptables. Le courant de court-circuit, Isc, de nos panneaux en silicium monocristallin de 24 volts est donné comme 5.8 ampères. Deux branches donneront donc un courant maximum total de 11.6 ampères, bien dans la spécification de l’onduleur.
Pour déterminer le nombre de panneaux pouvant être connectés dans une branche en série PV, vérifiez que la somme de la tension à circuit ouvert de tous les panneaux ne dépasse pas la tension d’entrée DC du suivi du point de puissance maximum et que le nombre minimum de panneaux dans la branche en série ne tombe pas en dessous du minimum de tension MPPT, sans oublier que la tension dans une branche en série varie en fonction de la température. Vérifiez également que le courant de court-circuit (Isc) du champ est inférieur au courant d’entrée DC maximum de l’onduleur de puissance.
Dans le prochain tutoriel sur l’Énergie Solaire, nous examinerons l’avantage d’utiliser des batteries à cycle profond par rapport aux batteries automobiles normales et comment les connecter à notre système de production d’énergie solaire domestique pour un système autonome ou connecté au réseau.