Gestion et conversion électrique dans une architecture distribuée d’énergies renouvelables

Architecture à onduleur centralisé

L’architecture à onduleur centralisé consiste à raccorder directement les branches de modules constituant un champ photovoltaïque à un onduleur centralisé : Cette topologie classique, la plus ancienne, est composée d’un onduleur réalisant l’interface entre le réseau et le champ photovoltaïque, où des chaînes de modules (ou « string ») sont connectées en parallèle (voit gure 2.3). Ce montage est généralement également adopté pour des installations de grandes puissances [51] et dans lesquelles des protections anti-retour de courant sont implantées dans chaque rangée. L’avantage de la topologie à onduleur central est sa simplicité de mise en ÷uvre : un seul onduleur connecté au champ photovoltaïque est nécessaire. De plus, l’onduleur central unique représente un faible investissement tout en permettant une maintenance simple. La simplicité du montage permet également un meilleur rendement de l’installation. En eet, la mise en série de plusieurs modules PV permet d’obtenir une tension d’entrée susamment élevée pour avoir faible rapport de transformation. De ce fait, le point de fonctionnement du générateur à peut être placé à une tension la plus proche possible de la valeur de tension nominale permettant un rendement optimum du convertisseur. Néanmoins, ce montage présente plusieurs inconvénients [52]. Les principaux résident dans l’inuence importante des déséquilibres entre panneaux et des ombrages partiels sur la recherche du MPPT [47] et dans les pertes considérables de production qu’engendre une panne d’onduleur. Mais nous pouvons encore citer :

LES ARCHITECTURES DE GESTION D’ÉNERGIE PHOTOVOLTAÏQUE

– Rendement de conversion dégradé car un seul MPPT existe pour l’ensemble des modules – Possibilité d’existence de pertes et risques électriques dans le câblage DC – Non prise en compte du mismatch entre les panneaux occasionnant des pertes d’adaptation – Aucune involutivité possible – Aucune continuité de service en cas de panne de l’onduleur Malgré les nombreux défauts de cette conguration, cette solution reste très employée dans les centrales PV au sol de forte puissance, car cette architecture permet une séparation claire entre les parties continues et alternatives de l’installation ainsi qu’une maintenance simpliée. 2.2.3 Architecture à micro-onduleurs Cette solution décrite dans des publications remontant à plus de 10 ans [52] avait un peu de mal à s’imposer, compte tenu de la miniaturisation qu’implique le système. À titre d’exemple une société (Enphase) a proposé en 2008 un modèle de micro-onduleur qui maximise la production d’énergie du panneau sur lequel il est raccordé grâce à de l’intelligence embarquée intégrant un MPPT. Dans cette conguration originale, chaque optimiseur de puissance MPPT contrôle son module PV. Les micro-onduleurs proposés ne commencent à produire de l’énergie qu’après l’installation d’une passerelle de communication spécique et une fois que tous les micro-onduleurs du site ont été raccordés et détectés par la passerelle. En outre, le système permet un réglage des paramètres de gestion des valeurs de découplage du réseau pour permettre aux micro-onduleurs de fonctionner ensemble. On a représenté sur la gure 2.4 le schéma simplié de la conguration à micro-onduleurs. Actuellement, quelques constructeurs se tournent vers ces solutions qui présentent un grand nombre d’avantages pour n’en citer que quelques uns, notons : – l’absence d’onduleur central qui présente un rendement médiocre aux faibles puissances [53]. – la tension élevée en sortie de panneau permet une diminution notable de la section des conducteurs pour une puissance identique. La section des conducteurs peut être divisée par 3 ou 4 suivant les cas. – les panneaux sont câblés en parallèle, ce qui rend l’installation modulaire et évolutive. – l’optimisation par MPPT de chaque panneau est faite individuellement.  Figure 2.4  Schéma d’une installation à micro-onduleurs. On peut voir la conguration de panneaux standards connectés aux micro-onduleurs vers le réseau évitant ainsi la propagation de défauts. – aucune propagation de défaut : Une baisse de performances sur un panneau n’aecte pas les autres. Chacun fournit son maximum de puissance (MPPT individuel). – possibilité de gestion du fonctionnement, monitoring de l’installation, par le biais d’une communication logicielle avec les panneaux via courants porteurs et par internet. – possibilité d’arrêter le fonctionnement de l’installation par voie logicielle (pour la maintenance ou toute autre intervention…) Finalement, avec une telle architecture à micro-onduleur, la société Enphase annonce un gain de 25% comparée à une architecture centralisée. Mais, néanmoins, de nombreux inconvénients existent pour ce système : – chaque panneau est équipé d’une électronique spécialisée complexe, d’ou un surcoût important, – les circuits électroniques doivent être très robustes (conditions climatiques sévères, longévité, etc. . .), ce qui augmente encore le coût de l’électronique, – le réseau est appliqué quasiment directement sur chaque panneau, sans isolation galvanique, ce qui rend les panneaux vulnérables aux chocs électriques du réseau (sauf protection supplémentaire), – il n’y a pas jusqu’à présent de standard et de norme ce qui se traduit par des systèmes dit « propriétaires ». 

Architecture série à optimiseurs

Une amélioration de la conguration initiale de base consiste à connecter en sérier des convertisseurs individuels DC-DC reliés aux panneaux PV. Cette architecture intégrant des optimiseurs de puissance constitue une alternative intermédiaire entre les systèmes à microonduleurs et les structures classiques telles qu’elles ont cours actuellement, à savoir la mise en série de panneaux pour augmenter la tension disponible envoyée à l’onduleur. Chaque panneau est alors branché à un convertisseur DC-DC individuel nommé « Optimiseur ». Cela permet de rendre la conversion d’énergie de chaque panneau totalement indépendante et donc de limiter les pertes de rendement lors de disfonctionnements tels que pannes, phénomènes d’ombrages et autres… (Cette architecture est représentée dans la gure 2.5. Le convertisseur le plus adapté à la mise en cascade est le convertisseur de type Boost car il présente une très bonne ecacité de conversion, un poids et un volume réduits pour un prix de revient relativement modeste. Ces structures sans transformateur éliminent le problème de l’isolation galvanique. Elles orent tous les avantages mentionnés plus haut en plus d’une grande simplicité mais quelques problèmes de abilité peuvent être causés par les capacités parasites entre les panneaux PV et la terre notamment. Figure 2.5  Association de plusieurs panneaux munis d’optimiseurs montés en série. Les chaînes ainsi constitués sont gérées par l’onduleur. Cette solution permet de garder l’avantage d’une discrétisation de la gestion de puissance et d’atteindre le niveau de tension requis pour un fonctionnement correct de l’interface DC-AC. Les ensembles panneaux-optimiseurs sont ensuite connectés en série sous forme de chaînes de la même manière que dans une structure classique. En cas de baisse d’éclairement sur un panneau, la tension produite par ce panneau chute inévitablement ainsi qu’à la sortie de l’optimiseur. Comme les systèmes fournissent une puissance optimale et qu’ils sont communicants, la baisse de tension est analysée par le système onduleur qui réagit en conséquence en baissant l’intensité absorbée an de compenser cette perte et de garantir ainsi la tension globale de la chaîne. L’onduleur travaille donc avec une tension constante, chaque chaîne produisant la même tension. On imagine qu’il est possible avec ce système, d’envisager une mise à niveau d’une installation existante sans avoir à modier le câblage ni même les passages de câbles. On aboutit à un schéma de principe conforme à la gure 2.5. Cette structure, simple dans sa mise en ÷uvre est relativement astucieuse. Elle est décrite par ailleurs dans de nombreuses publications [54, 55]. Elle met en ÷uvre des petits élévateurs de tension au niveau de chaque panneau, associés à un onduleur optimisé pour une tension stabilisée par logiciel. L’onduleur doit être conçu sans algorithme de recherche de MPP, car ce sont les optimiseurs qui en assurent localement la fonction. Les avantages des optimiseurs : – Chaque panneau fonctionne avec son propre MPP et est donc indépendant du fonctionnement des autres. – L’onduleur ne nécessite pas de logiciel assurant le MPPT, car il fonctionne à tensions d’entrée et de sortie quasi constantes. – Les panneaux sont en relation avec l’onduleur et communiquent par entre eux soit par courant porteur, soit par logiciels spécialisés, soit à travers un réseau sans l. – Comme précédemment, la gestion du fonctionnement, monitoring, de l’installation est aisément assurée par l’onduleur. – Il est possible de faire une mise à niveau d’une installation existante sans modier le câblage d’origine. Néanmoins, cette architecture reste une architecture série. Ou, nous avons vu précédemment qu’un déséquilibre sur un panneau agit sur ceux qui sont connectés en série. De plus, mais dans une moindre mesure, si l’installation se compose de deux chaînes en parallèle, un déséquilibre sur une chaîne (par ombrage sur un panneau par exemple) va perturber l’autre chaîne. Cette perturbation se manifeste par une baisse de tension et oblige donc l’onduleur à fonctionner sur un point de puissance maximale un peu en dessous de celui de la chaîne normale. On parle alors de propagation de défauts. Les quelques inconvénients à prendre en compte sont donc : – Certains optimiseurs ne sont pas prévus pour compenser une perte de plus qu’un certain nombre de panneaux , – L’installation n’est pas évolutive, – Pour de faibles éclairements et donc des puissances faibles, l’onduleur a un rendement faible, – Il s’agit ici encore d’un système propriétaire et n’obéit donc à aucune norme.