Généralités sur l’architecture électrique

L’onduleur transforme le courant électrique continu produit par le champ PV en un courant électrique alternatif injecté dans le réseau (de distribution, de transport, ou mini-réseau autonome). Outre la fiabilité et le coût, le point-clef dans la conception de l’onduleur est le rendement de conversion DC/AC, du point de vue de l’utilisateur. Le rendement des onduleurs actuels est très élevé : par exemple, Power Electronics fabrique les onduleurs ayant un rendement jusqu’à 97.8% pour quelques MW [7] . Comme tout système électronique, l’onduleur a une durée de vie limitée, comprise entre 10 et 15 ans. Actuellement, il existe principalement trois topologies, ou architectures électriques, de systèmes PV (associations de module PV et onduleur) comme indiqué dans la Figure II-1 :

➢ Système avec onduleur centralisé : un seul ou quelques gros onduleurs

35 onduleur est alimenté par un champ PV composé de sous-champs, eux-mêmes constitués de chaînes parallèles de modules,

➢ Système avec onduleurs strings (ou de chaînes) : la centrale comprend alors un

nombre important d’onduleurs ; chaque onduleur est alimenté par une ou plusieurs chaines parallèles de modules PV. Cette option est requise notamment lorsque plusieurs champs de modules sont orientés différemment,

➢ Système avec onduleurs intégrés aux modules PV (ou micro-onduleurs) ; on a

alors un onduleur pour 1 à 4 modules, en général.

Figure II-1. Topologies des systèmes photovoltaïques connectés à un réseau électrique

Ces topologies peuvent se différencier selon leurs performances, les pertes de puissance et le coût, comme présenté dans le Tableau II-1. La première catégorie, performance (ou caractéristiques générales), considère la robustesse, la flexibilité et l'efficacité du MPPT [8] [9]. La deuxième catégorie, les pertes de puissance, considère le mismatch, les pertes énergétiques des côtés AC et DC du système. Les pertes de mismatch sont inévitables dans tous les systèmes PV. Cela dépend du type de module au sein d’une chaîne PV, de la différences entre des chaines PV en parallèles, de l'ombrage, des salissures, de l'efficacité MPPT, entre autres [10] [11]. La troisième catégorie, le coût, concerne l'installation, la maintenance, le coût du terrain et la

36 longueur des câbles DC et AC [12] [13]. Le coût du terrain n’est pas inclus ici car il dépend de la localisation du système PV.

Tableau II-1. Principales caractéristiques des topologies des systèmes PV

Le Tableau II-2 résume les principales caractéristiques de certains grands systèmes PV développés par SMA, ABB, SunPower et Danfoss. Ce tableau indique la zone, le nombre de panneaux photovoltaïques, le type de panneau, les onduleurs photovoltaïques et la topologie utilisés pour le fonctionnement des grands systèmes PV (la lettre M désigne un système d’onduleur string ou multi-String, la lettre C désigne un système d’onduleur centralisé). On remarque que le nombre d'onduleurs dépend de la topologie utilisée, un grand nombre d'onduleurs photovoltaïques sont courants dans la topologie string ou multistring.

37 Tableau II-2. Détails de certains grand systèmes PV [14]

La structure générale d’un système PV est présentée dans la Figure II-2:

Figure II-2. Structure générale d’un système photovoltaïque connecté au réseau électrique

L’isolement galvanique de l’onduleur connecté au réseau dépend des normes en vigueur dans chaque pays. Par exemple aux USA, l’isolement galvanique est toujours exigé. Pour l’isolement galvanique, on utilise un transformateur BF ou HF. Cette dernière solution est plus compacte, mais il faut faire attention à la conception des transformateurs afin de minimiser les pertes (les pertes du système PV dépendront aussi du transformateur). C’est pourquoi

Réseau

PV panneau Onduleur Réseau

Mesure de courant et tension

Générateur PWM

MPPT + Calcul rapport cyclique + Synchronisation Mesure de courant et

38 l’onduleur sans transformateur a toujours le rendement le plus élevé (et un coût moindre). Différents types d’onduleurs PV sont présentés dans la Figure II-3.

Figure II-3. Classement des onduleurs photovoltaïques

Les systèmes PV produisant un courant continu, la connexion au réseau électrique rend nécessaire un étage DC/AC. Parfois un seul convertisseur assure les deux réglages usuels : l’extraction du maximum de puissance et l’injection au réseau de courants sinusoïdaux. la plupart de structures industrialisées comportent deux étages de conversion successifs : un DC/DC et un DC/AC.

Il existe plusieurs types d’étage d’adaptation ; [15] dresse une liste de schémas correspondants aux applications PV. Le type du hacheur parallèle (Boost) est souvent choisi d’une part [16] pour sa simplicité et d’autre part car il offre un rapport d’élévation (ratio entre la tension sortie et la tension entrée du hacheur) inférieur à environ 3, ce qui permet d’obtenir un rendement correct.

Il existe deux types d’onduleurs : monophasé et triphasé, comme indiqué sur la Figure II-4. Dans cette partie, on va présenter plus particulièrement le contrôle/commande global du

Onduleur PV Avec convertisseur DC-DC Avec transformateur Transformateur LF Transformateur HF Sans transformateur Sans convertisseur DC-DC Avec transformateur Transformateur LF Transformateur HF Sans transformateur

39 système PV avec onduleur, monophasé et triphasé, sans transformateur, et avec convertisseur DC-DC. Ces deux types d’onduleurs comportent les fonctions suivantes :

➢ Commande de l’hacheur Boost pour régler le courant du bus continu, la

référence de ce courant étant fournie par un algorithme MPPT.

➢ Commande de l’onduleur de tension pour régler le courant de sortie et la tension

du bus continu, incluant :

• Une boucle à verrouillage de phase (PLL : Phase Locked Loop) pour la

synchronisation à la tension du réseau.

• Une boucle de réglage de la tension du bus continu laquelle impose la

référence du courant à injecter au réseau

• Une boucle de poursuite du courant réseau désiré.

Figure II-4. Onduleurs monophasé (à gauche) et triphasé (à droite) connectés au réseau