Topologies des onduleurs

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Dans les sites isolés, la disponibilité des appareils fonctionnant sous tension continue a orienté l’intérêt vers le stockage de l’énergie sous sa forme originale qui est la forme continue. Cette topologie assure surtout la continuité de service chez le consommateur. Un onduleur et des appareils à tension alternative ne sont donc pas appropriés aux sites isolés.

A proximité du réseau, dans les pays où le raccordement de la génération distribuée PV est autorisé, les propriétaires des installations PV sont de plus en plus intéressés par la connexion au réseau que l’installation autonome. Les subventions très attractives proposées par ces pays ont boosté la tendance ‘’connexion au réseau’’ La figure 4.2 qui est prise à titre d’exemple des pays ayant la GD photovoltaïque raccordée au réseau, montre l’évolution du parc français PV raccordé au réseau de 2006 à 2012.

Fig.4.2. Par photovoltaïque français raccordé au réseau

Différentes architectures sont adoptées pour relier ces installations au réseau. Contrairement à l’installation autonome, elles ont toutes besoin d’onduleurs pour adapter l’énergie électrique produite par la conversion PV au réseau.

Comme il a été développé précédemment, les onduleurs dédiés aux photovoltaïques sont particuliers. Ils ne se limitent pas seulement à transformer la puissance continue en puissance alternative sinusoïdale mais ils forcent le générateur à fonctionner à son point de puissance maximum.

Actuellement, on rencontre quatre architectures principales: la technologie centralisée, la technologie string ou à chaines, la technologie multi-string et la technologie intégrée au panneau. [2], [7]

66 La technologie centralisée

Comme le montre la figure 4.3.a, Les modules PV sont montés en longues séries appelées chaines qui désignent le mot ‘strings’ dans l’Anglais. Au début du raccordement des installations PV au réseau, cette topologie était très utilisée car elle permettait de livrer une tension au bus continu assez élevée pour ne pas avoir à l’amplifier par un dispositif DC/DC tel que le hacheur. Chaque chaine finit par une diode anti retour et les chaines sont reliées entre elles en parallèle pour augmenter le courant et donc la puissance. L’ensemble est connecté au réseau via un seul onduleur. A forte puissance, le rendement de l’onduleur est imbattable (95% à 97%). Mais ce rendement ne peut être atteint que dans les conditions optimales. Il est réduit quand tous les modules n’ont pas les mêmes caractéristiques.Un nuage qui fait de l’ombre sur quelques modules, ou pour des raisons quelconques, des modules sont sales ou ont vieilli ou par rapport à d’autres. L’autre inconvénient de cet onduleur centralisé, ce sont les pertes causées dans le câble de haute tension continue qui relie l’ensemble des modules PV à l’onduleur. Ces pertes sont importantes car le MPPT situé dans l’onduleur oblige le générateur PV à fonctionner à la puissance maximale. Par ailleurs, l’utilisation d’un seul onduleur pour tous les modules PV reste un inconvénient. C’est comme mettre tous ses œufs dans un même panier.

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a) technologie centralisée b) technologie string c) technologie multi-string d) technologie Module-AC

Fig.4.3.Différentes topologies d’installations PV connectés à un réseau électrique [2]

La technologie string

A la différence de la technologie centralisée,chaque chaine ou string est relié à un onduleur fig.4.3.b. Mais il y a suffisamment de modules par string pour atteindre la tension continue nécessaire à l’onduleur pour injecter le courant sinusoïdal dans le réseau. Pour les systèmes européens, cela nécessite environ 16 modules PV en série. Il est possible d’utiliser des modules en string et augmenter la tension par un convertisseur DC/DC. L’utilisation de plusieurs onduleur signifie que chaque string a son propre MPPT, s’il ne fonctionne pas à pleine puissance, seul le rendement de son onduleur sera réduit. La longueur du câble continu est réduite de même que les pertes. Mais il faut souligner que le rendement des onduleurs de moyenne tension est inferieur à celui des onduleurs utilisés pour la technologie centralisée puisqu’elle varie entre 92% et 96%.

68 La technologie multi-string

Cette topologie représentée dans la figure 4.3.c est une version développée de la technologie string puisque chaque chaine est branchée à un convertisseur DC/DC. Mais tous les convertisseurs sont reliés à un seul onduleur connecté à son tour au réseau et ceci ressemble bien à la technologie centralisée. Le principe est de doter chaque chaine d’un MPPT pour que les défauts de fonctionnement soient rapidement détectés. Par ailleurs, l’utilisation des convertisseurs DC/DC réduit le nombre de modules PV par string. Dans le même string, les modules peuvent fonctionner dans des conditions différentes et ne pas avoir le même MPP et la caractéristique P(V) d’un string aura plusieurs pics.

La technologie Module-AC

Il s’agit ici d’un même dispositif composé d’un module PV et d’un onduleur. Il y a donc autant d’onduleurs que de modules PV mais aussi autant de branchements au réseau. La puissance à la sortie de l’onduleur est petite puisque le module ne délivre pas une très grande puissance. Sans oublier qu’il faut encore booster cette tension qui varie entre 17 et 90V pour qu’elle puisse être connectée au réseau.

Dans la référence [2] les auteurs ont fait une compilation d’une dizaine de travaux concernant le module-AC et qu’ils ont rassemblé dans un tableau recueillant la puissance nominale délivrée par l’onduleur, la tension de réseau à laquelle il est raccordé, sa tension de sortie, son rendement et son facteur de puissance.

La simplicité de manipulation du module –AC laisse croire que demain les gens l’achèteront et l’installeront sans même l’aide de spécialistes. Mais pour le moment, les normes de sécurité nationales et internationales ne l'autorisent pas.