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Surmonter les défis de conception de systèmes d'alimentation dans les systèmes photovoltaïques de 1 500 VCC

Par David Carroll, Director of Product Management at CUI Inc.

Il est essentiel d'augmenter le rendement énergétique pour garantir la viabilité financière de la production d'énergie photovoltaïque. Le basculement vers de plus grandes chaînes de cellules pour augmenter la tension de fonctionnement CC permet de réduire les pertes par effet joule (I2R) et les coûts de déploiement, mais complique la conception des alimentations auxiliaires qui alimentent les circuits de commande et de surveillance.

Développer le marché des solutions solaires

Même si les subventions gouvernementales pour la production d'énergie photovoltaïque (PV) fluctuent, la capacité des installations continue d'augmenter. De 178 GW en 2014, la capacité mondiale devrait passer à 540 GW en 2019. L'Europe détient la plus grande part et devrait atteindre 158 GW en 2019, bien que la croissance soit plus rapide dans d'autres pays comme la Chine et les États-Unis, où la capacité des installations devrait quadrupler et tripler, respectivement, au cours de la même période. Une industrie solaire prospère est également intéressante d'un point de vue économique. En effet, ce secteur employait directement environ 55 millions de personnes en 2014.

Pour que la production d'énergie photovoltaïque atteigne ces prévisions et continue de croître, le coût en dollars par Watt doit continuer de diminuer. L'un des obstacles est le rendement généralement faible des panneaux en eux-mêmes. Les cellules monocristallines les plus efficaces d'aujourd'hui fonctionnent à un rendement d'environ 25 %, ce qui est déjà proche du maximum théorique pour cette technologie.

Augmenter la tension de fonctionnement pour économiser de l'énergie

Il est clair que chaque joule récolté à partir des rayons du soleil est précieux. Une bonne gestion de ces infimes sources d'énergie est essentielle pour minimiser les pertes dans chaque partie du système, de la sortie CC des modules solaires à l'alimentation CA du réseau (Figure 1). Le branchement de plusieurs modules en série pour produire une sortie CC haute tension aide à réduire le courant et donc à réduire les pertes par effet joule (I2R) entre les panneaux photovoltaïques et l'onduleur. Il est assez courant que les systèmes reliés au réseau électrique fonctionnent à 1 000 VCC. Un système typique comprend 22 modules connectés en série pour créer une chaîne, chaque module contenant 90 cellules pour produire une tension de sortie d'environ 45 V. Une telle chaîne doit pouvoir générer une puissance de crête de 5,5 kW, ce qui permet par exemple de combiner 2 727 chaînes pour former une installation de 15 MW.

Image des fonctions clés d'un générateur photovoltaïque de plusieurs MW relié au réseau électrique

Figure 1 : Fonctions clés d'un générateur photovoltaïque de plusieurs MW relié au réseau électrique. (Source de l'image : CUI, Inc.)

En augmentant le nombre de modules par chaîne pour augmenter la tension de sortie à 1 500 VCC, le courant maximal entrant dans chaque combinateur pourrait être réduit à 66,6 % de sa valeur à 1 000 VCC. Les pertes au niveau des câbles résistifs seraient encore plus faibles, à seulement 44,4 % de la valeur précédente. Cela donne aux concepteurs de systèmes une plus grande flexibilité pour augmenter le rendement énergétique et réduire les coûts d'installation en réduisant la taille des câbles et en spécifiant des connecteurs plus compacts. En outre, moins de chaînes sont nécessaires pour obtenir une puissance de sortie donnée, ce qui réduit le nombre de combinateurs requis. En supposant que chaque combinateur gère 20 chaînes, une installation de 15 MW ne nécessiterait que 94 combinateurs, contre 137 à 1 000 VCC, soit une réduction de 31 %. GTM Research a calculé que la conception d'une centrale de 10 MW pour fonctionner à 1 500 VCC réduit les coûts de déploiement d'environ 400 000 USD par rapport à un système à 1 000 VCC (Figure 2).

Image des économies de déploiement potentielles d'une centrale de 10 MW en passant de 1 000 V à 1 500 V

Figure 2 : Économies potentielles de déploiement d'une centrale de 10 MW en passant de 1 000 V à 1 500 V. (Source de l'image : CUI, Inc.)

Défis de conception à 1 500 V

Ces économies potentielles et ces gains de rendement sont certes intéressants, mais il est nécessaire d'améliorer l'isolement dans l'ensemble du système. En outre, les combinateurs et l'onduleur doivent également être capables de fonctionner à la tension plus élevée. Heureusement, il existe déjà des onduleurs appropriés et certains d'entre eux sont basés sur les derniers semi-conducteurs à bande interdite large, qui offrent un rendement supérieur à celui des alternatives en silicium.

Cependant, un autre aspect important de la conception de systèmes 1 500 VCC est le fait que ces combinateurs et onduleurs photovoltaïques doivent dériver leur propre source basse tension de la ligne 1 500 VCC pour alimenter les circuits de commande et de surveillance. Les convertisseurs CC/CC compacts qui permettent cela ne sont pas facilement disponibles avec une plage de tensions d'entrée suffisamment étendue pour fonctionner à 1 500 VCC tout en résistant à des baisses de tension de sortie de chaîne pouvant aller jusqu'à 200 VCC. Cela nécessite une plage d'entrée d'au moins 7.5:1, ce qui n'est pas une spécification courante.

La Figure 3 illustre l'architecture d'alimentation d'une unité de combinateur solaire comprenant un convertisseur CC/CC à plage d'entrée étendue avec une sortie 24 VCC, utilisée pour alimenter des modules de communication et de traitement/détection via des convertisseurs supplémentaires isolés et non isolés. Un isolement de sécurité entièrement renforcé est nécessaire pour le convertisseur CC/CC haute tension principal, généralement spécifié à 4 000 VCA.

Schéma de l'architecture d'alimentation interne d'un combinateur solaire

Figure 3 : Architecture d'alimentation interne d'un combinateur solaire. (Source de l'image : CUI, Inc.)

Conditions de sécurité

En ce qui concerne la sécurité, la norme applicable est la norme CEI 62109-1 intitulée « Sécurité des convertisseurs de puissance utilisés dans les systèmes photovoltaïques », qui concerne les systèmes jusqu'à 1 500 VCC. La Partie 1 de la norme spécifie les exigences générales et la Partie 2 définit les exigences spécifiques pour les onduleurs. Le champ d'application de la norme CEI 62109-1 englobe les méthodes de conception et de construction permettant d'assurer la protection contre les chocs électriques, les risques mécaniques, les températures élevées, les risques d'incendie, les risques chimiques et d'autres dangers potentiels.

La norme inclut également une référence à la norme CEI 60664 intitulée « Coordination de l'isolement des matériels dans les systèmes à basse tension ». La nécessité d'effectuer des tests pour vérifier l'absence de décharge partielle, qui peut se produire lorsque les microvides dans l'isolement se décomposent à des tensions élevées, entraînant une dégradation voire une défaillance complète, revêt une importance particulière pour les convertisseurs CC/CC. Les tests sont très pertinents pour les tensions de fonctionnement de 1 500 VCC et nécessitent une construction spéciale de la barrière galvanique du convertisseur CC/CC.

Les exigences d'isolement de la norme CEI 62109-1 dépendent de la tension du système, de la catégorie de surtension (OV) de l'installation et du degré de pollution (PD) de l'environnement. L'OV catégorie II est utilisée pour les circuits de panneaux photovoltaïques dans les systèmes avec bus de 1 500 VCC, avec une résistance minimale aux impulsions de 6 000 V. Quant à l'étage de l'onduleur relié au réseau électrique, la catégorie III est utilisée et l'exigence de résistance aux impulsions est de 8 000 V.

En tant qu'application industrielle avec une certaine protection environnementale, l'équipement est soumis au PD 2. Cela ne permet qu'une pollution non conductrice avec condensation occasionnelle. La norme CEI 62109-1 contient de nombreuses autres spécifications à prendre en compte.

De plus, la norme UL 1741 est applicable aux États-Unis. Elle couvre l'application plus générale des « ressources énergétiques distribuées » et inclut des exigences relatives aux « convertisseurs et contrôleurs ».

Nouvelle topologie de puissance auxiliaire

Ces normes imposent des exigences de performance spécifiques aux convertisseurs CC/CC auxiliaires fonctionnant dans cet environnement. La plage d'entrée très étendue et la tension d'entrée maximale élevée constituent un défi de taille pour les topologies de convertisseur indirect/direct standard. Une topologie plus complexe est nécessaire pour limiter les contraintes sur les composants en présence de tensions de crête et de courants internes extrêmement élevés pouvant survenir lors de la variation de la largeur d'impulsion afin de réguler la sortie.

La protection est également extrêmement importante pour que les convertisseurs puissent continuer à fonctionner malgré des « baisses de tension » fréquentes : l'entrée passe en dessous de la valeur minimale lorsque les niveaux d'éclairage sont bas ou lorsque les panneaux ne sont plus au soleil. Ces conditions de défaillance ainsi que d'autres qui peuvent survenir dans une installation distante, comme les surcharges, les courts-circuits ou les surtensions, ne doivent en aucun cas endommager le convertisseur. Les convertisseurs doivent également pouvoir supporter des températures de fonctionnement élevées, car les systèmes photovoltaïques sont généralement situés en plein soleil afin d'optimiser le potentiel de récupération d'énergie. Il est également important de respecter les caractéristiques d'isolement spécifiées par les agences.

Compte tenu des effets combinés de tous ces défis individuels, la conception d'un convertisseur CC/CC à plage d'entrée étendue de 1 500 VCC pour les applications photovoltaïques n'est pas une tâche facile.

CUI a récemment lancé la série AE de convertisseurs CC/CC pour les applications photovoltaïques fonctionnant à 1 500 VCC (Figure 4). Ils sont conçus pour gérer la plage d'entrée de 200 à 1 500 VCC nécessaire pour une utilisation dans les alimentations solaires auxiliaires et sont disponibles avec une puissance nominale de 5, 10, 15 ou 40 W. Les options de tension de sortie sont de 5, 9, 12, 15 ou 24 VCC. Ces convertisseurs sont conformes à la norme EN 62109-1, version européenne de la norme CEI 62109-1, avec un isolement de 4 000 VCA et un fonctionnement répertorié jusqu'à 5 000 mètres d'altitude. Certains modèles répondent également à la norme UL 1741. Différents formats sont disponibles (montage sur carte encapsulé, montage sur châssis ou rail DIN) et les convertisseurs peuvent fonctionner jusqu'à 70°C sans détarage.

Image des convertisseurs CC/CC série AE de CUI

Figure 4 : Les convertisseurs CC/CC série AE de CUI fonctionnent avec une tension d'entrée de 200 à 1 500 VCC. (Source de l'image : CUI, Inc.)

Alimentation auxiliaire pour systèmes photovoltaïques de 1 500 VCC

L'optimisation du rendement de la conversion de l'énergie est l'objectif le plus important lors de la conception de systèmes de génération photovoltaïque industriels pour des installations allant jusqu'au GW. L'augmentation de la tension de sortie des panneaux solaires à 1 500 VCC permet d'atteindre cet objectif, bien qu'une surveillance et un contrôle complets soient nécessaires pour obtenir les meilleures performances. Les alimentations auxiliaires utilisées pour assurer ces fonctions doivent être conformes aux normes de fiabilité et de sécurité, tout en étant capables de fonctionner à partir d'une tension d'entrée pouvant varier de 200 VCC à 1 500 VCC. La dernière génération de convertisseurs CC/CC de CUI, conçue pour répondre à ces défis, constitue une solution idéale pour les concepteurs et les intégrateurs de systèmes photovoltaïques. Pour en savoir plus sur la série AE de CUI, consultez la présentation produit Convertisseurs CC/CC pour applications d'énergies renouvelables de Digi-Key.

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À propos de l'auteur

David Carroll, Director of Product Management at CUI Inc.