Le but d'un onduleur est de transformer une tension continue en un signal alternatif afin d'injecter de la puissance dans une charge (par exemple, le réseau électrique) à une fréquence donnée et avec un petit angle de phase (φ ≈0). Un circuit simplifié pour une modulation de largeur d'impulsion (MLI) unipolaire monophasée est illustré sur la figure.2 (Ce même principe général peut être étendu à un système triphasé). Dans ce schéma, un système photovoltaïque, fonctionnant comme une source de tension continue avec une certaine inductance, est transformé en un signal alternatif par quatre transistors IGBT montés en parallèle avec des diodes de roue libre. Ces transistors sont commandés au niveau de la grille par un signal PWM, généralement la sortie d'un circuit intégré comparant une onde porteuse (généralement une sinusoïde à la fréquence de sortie souhaitée) et une onde de référence à une fréquence nettement supérieure (typiquement une onde triangulaire de 5 à 20 kHz). La sortie des IGBT est transformée en un signal alternatif utilisable ou injectable dans le réseau grâce à l'application de filtres LC de différentes topologies.
Les onduleurs appartiennent à un vaste groupe de convertisseurs statiques, qui comprend de nombreux modèles actuels.'appareils capables de«convertir«les paramètres électriques en entrée, tels que la tension et la fréquence, afin de produire une sortie compatible avec les exigences de la charge.
De manière générale, les onduleurs sont des dispositifs capables de convertir le courant continu en courant alternatif et sont très répandus dans les applications d'automatisation industrielle et les entraînements électriques. L'architecture et la conception des différents types d'onduleurs varient selon l'application, même si leur fonction principale reste la même : la conversion du courant continu en courant alternatif.
1. Onduleurs autonomes et connectés au réseau
Les onduleurs utilisés dans les applications photovoltaïques sont historiquement divisés en deux grandes catégories :
:onduleurs autonomes
:Onduleurs connectés au réseau
Les onduleurs autonomes sont destinés aux applications où la centrale photovoltaïque n'est pas raccordée au réseau de distribution électrique principal. Ils alimentent les charges connectées en énergie électrique, garantissant la stabilité des principaux paramètres électriques (tension et fréquence). Ainsi, ces paramètres restent dans des limites prédéfinies et l'onduleur peut résister aux surcharges temporaires. Dans ce cas, il est associé à un système de stockage par batterie afin d'assurer une alimentation électrique continue.
Les onduleurs connectés au réseau, en revanche, sont capables de se synchroniser avec le réseau électrique auquel ils sont raccordés car, dans ce cas, la tension et la fréquence sont…«imposé«Ces onduleurs doivent pouvoir se déconnecter du réseau principal en cas de défaillance de celui-ci afin d'éviter toute alimentation inverse du réseau, ce qui pourrait représenter un danger grave.
- Figure 1 - Exemple de système autonome et de système connecté au réseau. Image courtoisie de Biblus.
2. Quel est le rôle du condensateur de bus ?
Figure 2 : Modulation de largeur d’impulsion (MLI) monophaséeConfiguration d'un onduleur. Les commutateurs IGBT, associés à un filtre de sortie LC, transforment le signal d'entrée continu en un signal alternatif utilisable. Ceci induit unondulation de tension néfaste aux bornes PV. Le busLe condensateur est dimensionné de manière à réduire cette ondulation.
Le fonctionnement des IGBT induit une ondulation de tension aux bornes du générateur photovoltaïque. Cette ondulation nuit au fonctionnement du système photovoltaïque, car la tension nominale appliquée aux bornes doit être maintenue au point de puissance maximale (PPM) de la courbe caractéristique courant-tension afin d'extraire le maximum de puissance. Une ondulation de tension aux bornes du générateur photovoltaïque provoque des oscillations de la puissance extraite du système, ce qui entraîne…
une puissance de sortie moyenne plus faible (figure 3). Un condensateur est ajouté au bus afin de lisser l'ondulation de tension.
Figure 3 : L’ondulation de tension introduite aux bornes du générateur photovoltaïque par l’onduleur MLI décale la tension appliquée par rapport au point de puissance maximale (PPM) du générateur. Ceci induit une ondulation dans la puissance de sortie du générateur, de sorte que la puissance de sortie moyenne est inférieure au PPM nominal.
L'amplitude (crête à crête) de l'ondulation de tension est déterminée par la fréquence de commutation, la tension PV, la capacité du bus et l'inductance du filtre selon :
où:
VPV est la tension continue du panneau solaire,
Cbus représente la capacité du condensateur du bus.
L représente l'inductance des inductances du filtre,
fPWM est la fréquence de commutation.
L'équation (1) s'applique à un condensateur idéal qui empêche toute circulation de charge lors de la charge et qui décharge ensuite l'énergie stockée dans le champ électrique sans résistance. En réalité, aucun condensateur n'est idéal (figure 4) ; il est composé de plusieurs éléments. Outre la capacité idéale, le diélectrique n'est pas parfaitement résistif et un faible courant de fuite circule de l'anode à la cathode à travers une résistance shunt finie (Rsh), court-circuitant la capacité diélectrique (C). Lorsqu'un courant traverse le condensateur, les électrodes, les feuilles métalliques et le diélectrique ne sont pas parfaitement conducteurs, ce qui induit une résistance série équivalente (ESR) en série avec la capacité. Enfin, le condensateur stocke une certaine quantité d'énergie dans le champ magnétique, ce qui introduit une inductance série équivalente (ESL) en série avec la capacité et l'ESR.
Figure 4 : Circuit équivalent d'un condensateur générique. Un condensateur estcomposé de nombreux éléments non idéaux, notamment la capacité diélectrique (C), une résistance shunt non infinie à travers le diélectrique qui contourne le condensateur, la résistance série (ESR) et l'inductance série (ESL).
Même dans un composant en apparence aussi simple qu'un condensateur, de nombreux éléments peuvent tomber en panne ou se dégrader. Chacun de ces éléments peut affecter le comportement de l'onduleur, tant côté alternatif que côté continu. Afin de déterminer l'effet de la dégradation des composants non idéaux du condensateur sur l'ondulation de tension introduite aux bornes photovoltaïques, un onduleur unipolaire en pont en H à modulation de largeur d'impulsion (PWM) (Figure 2) a été simulé à l'aide de SPICE. Les condensateurs et inductances de filtrage sont respectivement de 250 µF et 20 mH. Les modèles SPICE des IGBT sont dérivés des travaux de Petrie et al. Le signal PWM, qui commande les commutateurs des IGBT, est déterminé par un comparateur et un comparateur inverseur, respectivement pour les commutateurs IGBT côté haut et côté bas. Les entrées des commandes PWM sont une onde porteuse sinusoïdale de 9,5 V à 60 Hz et une onde triangulaire de 10 V à 10 kHz.
- Solution CRE
CRE est une entreprise de haute technologie spécialisée dans la production de condensateurs à film, axée sur les applications en électronique de puissance.
CRE propose une solution éprouvée de condensateurs à film pour onduleurs PV comprenant un bus DC, un filtre AC et un amortisseur.
Date de publication : 1er décembre 2023