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Panneaux photovoltaïques énergie solaire

Qu'est-ce qu'un onduleur?

Un onduleur est un appareil électronique. La fonction de l'onduleur est de changer une tension d'entrée de courant continu en une tension de sortie de courant alternatif symétrique, avec l'amplitude et la fréquence souhaitées par l'utilisateur.

Qu'est-ce qu'un onduleur?

Les onduleurs de puissance sont également appelés convertisseurs de courant.

Aux débuts de l'énergie solaire photovoltaïque, les installations d'électrification utilisaient l'électricité pour la consommation à la même tension et de la même manière qu'elle la recevait des panneaux solaires photovoltaïques et des accumulateurs, c'est-à-dire à 12, 24, 48 volts en courant continu. Cela a fait une grande différence avec les utilisateurs qui avaient un réseau de distribution électrique ou des générateurs à 220 volts AC.

Pourquoi les onduleurs sont-ils nécessaires?

Le marché des appareils s'est adapté à la plupart des utilisateurs et nous pouvons trouver n'importe quel appareil avec 220 volts AC . Par conséquent, il est plus difficile d'obtenir des appareils fiables, de qualité et à prix raisonnable qui fonctionnent à basse tension et à courant continu.

Par conséquent, un équipement est nécessaire pour transformer les courants continus avec des valeurs de basse tension en courants alternatifs avec des valeurs de tension de 220 volts. Ce sont des onduleurs (également appelés onduleurs ou convertisseurs).

Les convertisseurs courant continu / courant alternatif (onduleurs, onduleurs) permettent de convertir les 12, 24, 48 volts de courant continu produits par les panneaux solaires et stockés dans la batterie, en courant alternatif de 125 ou 220 V (actuellement 230 V), comme celui normalement utilisé dans les endroits où se trouve le réseau électrique conventionnel.

Comment fonctionne un onduleur?

Un onduleur simple se compose d'un oscillateur qui contrôle un transistor, qui est utilisé pour interrompre le courant entrant et générer une onde rectangulaire .

Cette onde rectangulaire alimente un transformateur qui lisse sa forme , ce qui lui donne un peu plus l'apparence d'une onde sinusoïdale et produit la tension de sortie nécessaire. La forme d'onde de sortie de tension d'un onduleur idéal doit être sinusoïdale . Une bonne technique pour y parvenir consiste à utiliser la technique PWM rendant la composante principale sinusoïdale beaucoup plus grande que les harmoniques supérieures.

La forme d'onde carrée générée par ces appareils a le problème d'être riche en harmoniques supérieures, tandis que l'onde sinusoïdale du réseau électrique en est dépourvue. Cela implique une efficacité moindre de l'équipement motorisé, un plus grand bruit, acoustique et électrique, et de graves problèmes de compatibilité électromagnétique.

Types d'onduleurs

Ils peuvent être largement classés en deux types:

  • onduleurs monophasés
  • onduleurs triphasiques.

À quoi ressemblent les convertisseurs modernes?

Les onduleurs les plus modernes ont commencé à utiliser des formes plus avancées de transistors ou d'appareils similaires, tels que des thyristors, des triacs ou des IGBT.

Les onduleurs les plus efficaces utilisent divers appareils électroniques pour essayer d'obtenir une onde qui simule raisonnablement une onde sinusoïdale à l'entrée du transformateur, plutôt que de compter sur elle pour lisser l'onde. 

Un circuit électronique produit une tension pas à pas au moyen d'une modulation de largeur d'impulsion (PAM) aussi près que possible d'une onde sinusoïdale. Le signal, appelé onde sinusoïdale modifiée, est nivelé par des condensateurs et des inductances 

Des condensateurs et inductances peuvent être utilisés pour lisser le flux de courant vers et depuis le transformateur. Ces éléments sont placés à l'entrée et à la sortie du transformateur pour supprimer les harmoniques.

En outre, il est possible de produire une "onde sinusoïdale modifiée", qui est générée à partir de trois points: un positif, un négatif et un sol. Un circuit logique est chargé d'activer les transistors pour qu'ils alternent correctement.

Les onduleurs à onde sinusoïdale modifiée peuvent rendre certaines charges moins efficaces. Par exemple, les moteurs électriques.

À quoi ressemblent les onduleurs les plus avancés?

Les onduleurs les plus avancés utilisent une modulation de largeur d'impulsion avec une fréquence porteuse beaucoup plus élevée pour se rapprocher de l'onde sinusoïdale ou des modulations vectorielles spatiales améliorant la distorsion harmonique de la sortie. L'onde peut également être pré-déformée pour améliorer le facteur de puissance.

Le système peut être réinjecté pour fournir une tension de sortie stable lorsque la tension d'entrée change. Pour les deux types de modulation, la qualité du signal est déterminée par le nombre de bits utilisés. Il s'étend d'un minimum de 3 bits à un maximum de 12 bits, capable de décrire très bien la sinusoïde.

Moteurs électriques

Dans les moteurs électriques asynchrones, et plus encore dans les moteurs électriques synchrones, la vitesse de rotation est directement liée à la fréquence de la tension d'alimentation.

Lorsque cela est nécessaire dans l'industrie pour faire varier la vitesse d'un moteur, des onduleurs à courant alternatif et à courant alternatif (AC-AC) sont utilisés. Dans ces systèmes, la tension d'entrée est d'abord convertie en courant continu par un redresseur et mise à niveau par des condensateurs, puis appliquée à la section d'inversion. En fait, il s'agit donc d'un système «onduleur-redresseur» même s'ils ne sont appelés que «onduleurs» (c'est-à-dire uniquement «onduleurs»).

Le but de cette double opération est uniquement de changer la fréquence souhaitée dans un intervalle prédéterminé et la présence d'un transformateur n'est pas nécessaire, car il n'est pas nécessaire de faire varier la valeur de la tension de sortie qui reste égale à la tension d'entrée.

La fréquence de sortie est déterminée dans les cas les plus simples par un signal analogique fourni au variateur, par exemple par un potentiomètre, ou par un signal numérique envoyé par un automate.

Quels sont les avantages et les inconvénients des convertisseurs actuels?

Les avantages d'avoir de l' énergie électrique sous forme de courant alternatif sont divers:

  • C'est le type de courant qui est utilisé dans le monde et donne donc un point de normalité.
  • Il facilite l'achat d'appareils électroménagers pour accéder aux plus performants.
  • Il permet de maintenir des valeurs stables de tension et de forme d'onde, malgré la variabilité de l'état de charge des batteries.
  • Le fait de travailler avec des tensions plus élevées (220V est 18 fois 12V) permet de travailler avec de faibles courants électriques et, par conséquent, des conducteurs plus fins, des protections électriques habituelles peuvent être utilisées et les pertes sont minimisées.

Tous ne sont pas des avantages, ils présentent également certains inconvénients:

  • L'installation se compose d'un élément de plus, le convertisseur. Par conséquent, la fiabilité du système diminue.
  • Le convertisseur a des pertes électriques à compenser en générant plus d'électricité vers les modules (5%).
  • Dans les petites installations, le convertisseur peut représenter une part importante du budget; par exemple, pour une installation d'environ 100 Wc de puissance de module, un convertisseur de 250 W peut représenter 20% du coût total.

Quelles caractéristiques doivent être prises en compte dans un onduleur?

Principales caractéristiques qui définissent un convertisseur

  • Tension d'entrée (Vdc): Cette valeur doit être égale à celle de l'accumulateur (12, 24, 48 V).
  • Tension de sortie (Vac): cette valeur doit être normalisée (230 VAC).
  • Stabilité de la tension de sortie / d'entrée: des variations allant jusqu'à 10% pour les convertisseurs à onde carrée et 5% pour les convertisseurs à onde sinusoïdale sont prises en charge. Ce sont des valeurs que les normes autorisent pour la tension des réseaux électriques conventionnels, quelle que soit la puissance demandée par la consommation. En revanche, dans les installations avec accumulateurs, la tension d'entrée ne doit pas être supérieure à 125% ni inférieure à 85% de la tension d'entrée nominale du convertisseur.
  • Type d'onde : Actuellement, les onduleurs doivent présenter un format de type AC standard avec une onde sinusoïdale pure.
  • Capacité de surcharge (puissances de crête) et protection thermique : très utile dans les installations avec moteurs, car au moment du démarrage, vous pouvez doubler la puissance requise pour le fonctionnement nominal, mais seulement pendant quelques secondes. Il faut garder à l'esprit que tout moteur, au démarrage, peut tirer un courant jusqu'à cinq fois le courant nominal et qui, en règle générale, est environ trois fois.
  • L' efficacité énergétique ou la performance du convertisseur est le rapport entre l'énergie fournie par le convertisseur à la consommation CA et l'énergie requise par ce convertisseur d'entrée (à partir de la batterie). Si le convertisseur conçu pour une certaine puissance fonctionne dans une fraction de cette puissance, les performances chuteront. Un convertisseur sinusoïdal doit exiger un rendement de 70% fonctionnant à 20% de la puissance nominale et 85% lorsqu'il fonctionne à une puissance supérieure à 40% de la puissance nominale.
  • État de démarrage et de veille automatique : il permet aux parties de puissance du même convertisseur d'être déconnectées en l'absence de consommation et reconnectées lorsqu'elles détectent une demande d'énergie supérieure à un seuil préalablement défini.
  • Protection contre l'inversion de polarité et les courts-circuits : options de base, compte tenu des possibilités d'erreur ou de dysfonctionnement des circuits consommateurs qui sont élevées pendant la durée de vie du convertisseur.
  • Faible distorsion harmonique : paramètre lié à la qualité de l'onde générée. Les harmoniques sont normalement éliminés par les filtres, même si cela entraîne des pertes. La variation de fréquence de la tension de sortie sera inférieure à 3% de la valeur nominale.
  • Possibilité de se combiner en parallèle : il permettra une croissance possible de l'installation et de la puissance consommée.
  • Bon comportement avec variation de température : marge de fonctionnement entre -5ºC et 40ºC.
  • Assez de documentation technique . Il est requis, au minimum:
    • Tension de fonctionnement d'entrée et de sortie.
    • Tension nominale.
    • Fréquence nominale et facteur de distorsion.
    • Forme d'onde de sortie.
    • Plage de température de travail admissible.
    • Des performances en fonction de la puissance demandée.
    • Surcharge qui résiste.
    • Résistance aux courts-circuits.
    • Facteur de puissance.

Onduleurs photovoltaïques pour entrée réseau

Les onduleurs photovoltaïques pour l'entrée dans le réseau électrique sont un type particulier d'onduleur spécifiquement conçu pour convertir l'énergie électrique sous forme de courant continu produit par un module photovoltaïque en courant alternatif à alimenter directement dans le réseau électrique . La sortie de courant du panneau solaire est initialement sous forme de courant continu.

Qu'est-ce que le MPPT?

Le MPPT est une fonction supplémentaire de ce type d'onduleurs. Le MPPT utilise des logiciels et des systèmes de contrôle matériels spéciaux qui permettent d'extraire la puissance maximale disponible dans toutes les conditions météorologiques des panneaux solaires.

Les panneaux photovoltaïques ont en effet une courbe caractéristique tension / intensité telle qu'il existe un point de fonctionnement optimal, appelé point de puissance maximale, où il est possible d'extraire la puissance maximale disponible.

Ce point caractéristique varie en continu selon le niveau de rayonnement solaire qui frappe la surface des cellules photovoltaïques. De toute évidence, un onduleur capable de rester «accroché» à ce stade obtiendra toujours la puissance maximale disponible dans toutes les conditions.

Il existe plusieurs techniques pour implémenter la fonction MPPT, qui diffèrent en termes de performances dynamiques (temps de stabilisation) et de précision. Bien que la précision du MPPT soit extrêmement importante, le temps de stabilisation est, dans certains cas, encore plus long. Alors que tous les fabricants d'onduleurs peuvent atteindre une haute précision dans le MPPT (généralement entre 99 et 99,6% du maximum disponible), seuls quelques-uns peuvent combiner précision et vitesse.

En fait, les jours où la couverture nuageuse est variable, des changements importants et soudains de l' énergie solaire se produisent . Il est très courant de détecter des variations de 100 watts / m² à 1000-1200 watts / m² en moins de 2 secondes. Dans ces conditions, très fréquentes, un onduleur dont le temps de stabilisation est inférieur à 5 secondes peut produire jusqu'à 5 à 10% d'énergie en plus qu'un onduleur lent.

Certains onduleurs photovoltaïques sont équipés d'étages de puissance modulaires, et certains sont même équipés d'un MPPT pour chaque étage de puissance. De cette façon, les fabricants laissent le système d'ingénierie libre de configurer un fonctionnement maître / esclave indépendant ou MPPT.

L'utilisation de MPPT indépendants offre un avantage objectif dans des conditions d'irradiation de panneau inégales. En fait, il n'est pas rare que la surface des panneaux solaires soit exposée au soleil d'une manière qui diffère d'un champ à l'autre. En effet, il est organisé sur deux niveaux différents du plafond, car les modules ne sont pas répartis en chaînes de longueur égale ou en raison de l'ombrage partiel des mêmes modules. Dans ce cas, l'utilisation d'un seul MPPT ferait fonctionner l'onduleur en dehors du point de puissance maximale et, par conséquent, la production d'énergie serait endommagée.

Interface réseau

Une autre caractéristique importante d'un onduleur photovoltaïque est l'interface réseau. Cette fonction, généralement intégrée à la machine, doit répondre aux exigences établies par la réglementation des différentes sociétés de fourniture d'électricité.

Quelles sont les utilisations et les applications d'un onduleur?

Les onduleurs utilisent une grande variété d'applications, des petites alimentations informatiques aux applications industrielles pour contrôler la haute puissance. Les onduleurs sont également utilisés pour convertir le courant continu généré par les panneaux solaires photovoltaïques, les accumulateurs ou les batteries, etc., en courant alternatif et ainsi pouvoir être injectés dans le réseau électrique ou utilisés dans des installations électriques isolées.

En plus des applications dans le domaine de l'énergie solaire photovoltaïque, les applications de l'onduleur sont multiples:

  • Dans l'utilisation des panneaux solaires dans l' énergie solairephotovoltaïque, comme nous l'avons vu, il permet de transformer la tension continue en tension alternative à utiliser dans la maison ou pour entrer dans le réseau de distribution.
  • Dans les alimentations sans coupure , l'onduleur convertit la tension fournie par la batterie en courant alternatif.
  • Dans la transmission de l'énergie électrique, l'onduleur convertit l'énergie en courant continu transféré dans certaines lignes électriques pour alimenter le réseau de courant alternatif.
  • La réalisation d'une alimentation à découpage, pour transformation en courant continu, avec des avantages considérables en termes d'efficacité, d'encombrement et de poids
  • Dans le secteur aérospatial, ils sont utilisés pour fournir à l'avionique des avions un courant alternatif très stable même s'il est alimenté par des batteries (en cas de panne de courant)
  • Variation de vitesse dans les moteurs électriques .
    Auteur :

    Date de publication : 8 avril 2016
    Dernier examen : 9 avril 2020