L'un des défis de l'énergie solaire réside dans son intermittence. Le soleil ne brille pas en permanence et la production d'énergie peut être irrégulière. Les onduleurs solaires doivent offrir un rendement élevé et des performances accrues ; c'est là que l'intégration de systèmes de stockage d'énergie (SSE) devient une solution efficace pour garantir un approvisionnement énergétique constant et fiable. Avec l'amélioration continue des technologies et la baisse des coûts, l'adoption de systèmes d'énergie solaire avec stockage devrait se développer, ouvrant la voie à un avenir énergétique plus durable et résilient. Cet article examine les avantages, les types et les topologies d'intégration du stockage d'énergie aux systèmes photovoltaïques dans les installations résidentielles et commerciales.

Comprendre le fonctionnement des onduleurs solaires et du stockage d'énergie

Les onduleurs solaires sont le cœur d'un système photovoltaïque. Ils convertissent le courant continu (CC) produit par les panneaux solaires en courant alternatif (CA) pouvant être injecté dans le réseau. Outre cette conversion, les onduleurs solaires gèrent le flux d'énergie, optimisent les performances du système et assurent la sécurité.

Les systèmes de stockage d'énergie (SSE) stockent l'énergie pour une utilisation ultérieure afin d'équilibrer l'offre et la demande et d'améliorer la fiabilité du réseau. Il existe plusieurs types de SSE, tels que :

• Les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS), tels que les batteries lithium-ion, sont utilisés en raison de leur haute densité énergétique, de leur efficacité et de la baisse de leurs coûts. Ils sont couramment employés dans le stockage sur réseau et les véhicules électriques.
• Les systèmes de stockage mécanique , comme le stockage par pompage-turbinage, constituent la technologie de stockage d'énergie à grande échelle la plus répandue. Ils reposent sur le déplacement d'eau entre deux réservoirs situés à des altitudes différentes. Ce type de système offre la plus grande capacité de stockage d'énergie.
• Les systèmes de stockage thermique , tels que le « stockage de sels fondus », sont utilisés dans les centrales solaires thermiques pour stocker la chaleur et produire de l'électricité en cas de besoin, notamment dans les applications commerciales de stockage à court terme.

les systèmes de stockage d'énergie par batterie lithium-ion sont souvent utilisés pour stocker l'électricité solaire excédentaire, assurant ainsi un approvisionnement constant et fiable pendant les périodes de forte demande, la nuit et par temps nuageux.

Avantages de l'intégration du stockage d'énergie aux onduleurs solaires

L'intégration de systèmes de stockage d'énergie (SSE) aux onduleurs solaires garantit l'indépendance et la fiabilité énergétiques. En stockant l'énergie solaire excédentaire, les utilisateurs réduisent leur dépendance au réseau et s'assurent un approvisionnement constant, même en cas de coupures de courant ou de faible production solaire. Ils peuvent ainsi utiliser l'énergie solaire stockée lors des pics de consommation ou lorsque les prix de l'électricité sont plus élevés, ce qui réduit les coûts et minimise la pression sur l'infrastructure électrique. De plus, les SSE contribuent à la régulation de fréquence et optimisent les performances globales du réseau.

Segmentation des systèmes de stockage d'énergie

Les systèmes de stockage d'énergie (ESS) se divisent en deux catégories : les systèmes en ligne (FTM) et les systèmes hors ligne (BTM). Les FTM sont généralement associés aux systèmes de forte puissance (supérieure à 5 MW), tandis que les BTM sont utilisés dans les installations photovoltaïques résidentielles et commerciales d'une puissance allant de quelques kilowatts à 5 mégawatts.

Types d'onduleurs solaires

Les onduleurs de chaîne fonctionnent en connectant des panneaux solaires en série, formant ainsi une chaîne. Le courant continu (CC) produit par les panneaux est envoyé à un seul onduleur, qui le convertit en courant alternatif (CA). Ils sont couramment utilisés dans les installations résidentielles, commerciales et de production d'électricité. Dans le cas des onduleurs triphasés, une tension de panneau de 1 000 à 1 500 V CC est utilisée avec un convertisseur élévateur. Les onduleurs de chaîne sont économiques, faciles à installer et à entretenir. Un problème peut survenir si l'un des panneaux de la chaîne est ombragé ou fonctionne en deçà de sa capacité, car cela peut nuire aux performances de l'ensemble du système.

À l'inverse, les micro-onduleurs sont conçus pour se connecter individuellement à chaque panneau et convertir le courant continu (CC) produit par chacun en courant alternatif (CA). Contrairement aux onduleurs de chaîne, connectés en série, ils sont connectés en parallèle. Ainsi, si un panneau est ombragé ou fonctionne en sous-capacité, cela n'affecte pas les performances des autres. La puissance de sortie typique des micro-onduleurs varie de 200 W à 1,5 kW pour une tension de champ photovoltaïque de 40 à 80 V. Ce type d'onduleur est idéal pour les installations résidentielles où les panneaux peuvent être orientés dans différentes directions, car il optimise la production de chaque panneau indépendamment, atténuant ainsi l'impact de l'ombrage ou d'un mauvais alignement. Son principal inconvénient réside dans son coût initial élevé.

L'intégration d'un système de stockage d'énergie (ESS) aux panneaux solaires photovoltaïques donne naissance à un onduleur hybride. Ce type d'onduleur fonctionne dans les deux sens : l'énergie CC produite est soit convertie directement en CA, soit stockée avant conversion. Les onduleurs hybrides optimisent la consommation et le stockage d'énergie en gérant le flux d'électricité entre les panneaux, les batteries et le réseau, permettant ainsi de privilégier la charge des batteries, le raccordement au réseau ou l'autoconsommation.

systèmes d'intégration du stockage d'énergie

Il existe deux approches pour intégrer un système de stockage d'énergie (ESS) à un système photovoltaïque : le système ESS couplé en courant alternatif (CA) et le système ESS couplé en courant continu (CC). La principale différence entre un système couplé CA et un système couplé CC réside dans le parcours de l'électricité une fois produite par les panneaux solaires.

Dans un système couplé au réseau alternatif, le système photovoltaïque et le système de stockage d'énergie sont connectés au réseau électrique via leurs onduleurs respectifs. Les panneaux solaires produisent du courant continu, converti en courant alternatif par un onduleur solaire. Le système de stockage d'énergie, quant à lui, est généralement équipé de convertisseurs et d'onduleurs CC-CC bidirectionnels pour la charge et la décharge sur le réseau électrique.

À l'inverse, dans un système à couplage CC, les panneaux solaires et la batterie de stockage partagent un bus CC et utilisent principalement un seul onduleur pour convertir le courant continu en courant alternatif destiné au réseau ou à un usage domestique. Les panneaux solaires peuvent servir à charger directement les batteries et, en cas de besoin, le courant continu stocké est converti en courant alternatif par un onduleur hybride.

Topologies de puissance pour les onduleurs de chaîne et les systèmes de stockage d'énergie

Plusieurs topologies de puissance peuvent être utilisées pour concevoir les étages de conversion CC-CC et d'onduleur CC-CA. Chaque topologie présente des avantages spécifiques et est choisie en fonction des exigences en matière de puissance, de rendement, de coût et de complexité. Voici quelques-unes des topologies les plus courantes :

Dans le premier étage du convertisseur, le dispositif de suivi du point de puissance maximale (MPPT) est conçu pour maximiser la production d'énergie d'un système photovoltaïque en optimisant individuellement les performances de chaque panneau solaire du champ. Il ajuste le courant de sortie du panneau à son point de puissance optimale avant d'envoyer l'énergie à l'onduleur. Cette optimisation est cruciale, car la puissance de sortie d'un panneau solaire peut varier en fonction de l'intensité du rayonnement solaire, de l'ombrage, de la température et du désalignement des panneaux.

La tendance actuelle est d'augmenter la tension du bus continu à 1 000 V ou 1 500 V afin de réduire les pertes d'énergie du système et de permettre l'ajout de panneaux supplémentaires en série. En augmentant la tension continue maximale d'un onduleur solaire à 1 500 V ou plus, les centrales photovoltaïques deviennent plus rentables. Les topologies typiques pour cet étage comprennent le convertisseur élévateur entrelacé, le convertisseur à modulation par déplacement de phase en pont complet (PSFB) et le convertisseur LLC.

Le second étage de conversion est constitué d'un convertisseur CC-CC bidirectionnel. Cet étage sert à charger ou stocker l'énergie dans la batterie et à la décharger ou la libérer en cas de besoin. Les topologies isolées typiques sont CLLC et DAB.

L'étage de puissance de l'onduleur convertit la tension du bus continu en tension alternative pour le réseau. Les topologies courantes incluent le B6 et le pont en H à deux niveaux, ainsi que les onduleurs ANPC et HERIC à trois niveaux. Les onduleurs multiniveaux sont devenus populaires dans les applications de moyenne et haute puissance. Les avantages de l'utilisation d'onduleurs à trois niveaux sont les suivants :

1. diminution de la puissance dissipée, ce qui se traduit par un dissipateur thermique plus petit ;
2. réduction de l'ondulation de tension pour faciliter le filtrage grâce à une teneur en harmoniques plus faible ;
3. Interférences électromagnétiques conduites nettement réduites.

Topologies CC-CC

Une topologie PSFB à commutation à tension nulle (ZVS) est recommandée pour une configuration de liaison CC de 400 V, utilisant des MOSFET SiC 650 V pour les semi-conducteurs Q1 à Q4 afin d'obtenir un rendement et une densité de puissance élevés. Les semi-conducteurs sont commandés par une technique de déphasage qui leur permet de s'activer lorsque la tension à leurs bornes est nulle. Ceci réduit considérablement les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques (IEM), ainsi que la contrainte de tension sur les composants semi-conducteurs. De plus, les diodes SiC 650 V sont le choix approprié pour D1 et D2 côté primaire. Pour une configuration de liaison CC de 800 V, il convient d'utiliser des diodes SiC et des MOSFET 1200 V. Côté secondaire, pour les interrupteurs Q5 à Q8, le choix des interrupteurs de puissance dépend de la tension de la batterie. Par exemple, les systèmes de stockage d'énergie résidentiels utilisent généralement des batteries de 48 V, tandis que le secteur commercial privilégie les batteries de 400 V.

L'une des topologies de convertisseurs CC-CC bidirectionnels les plus courantes est le convertisseur CLLC. Il utilise deux inductances (L) et deux condensateurs (C) dans un circuit résonant parallèle. Cette configuration ressemble généralement à un circuit LLC, visible aussi bien côté primaire que côté secondaire. Des MOSFET SiC sont utilisés pour les transistors Q1 à Q4, tandis que des MOSFET Si sont utilisés pour Q5 à Q8. La conception CLLC permet une commutation à courant nul (ZC) des semi-conducteurs côté primaire, ce qui contribue à réduire les pertes de commutation et à améliorer le rendement. Elle permet également une commutation à courant nul (ZCS) côté secondaire, améliorant ainsi encore le rendement en minimisant les pertes de commutation à la coupure. Le convertisseur CLLC requiert une commande précise pour gérer efficacement la fréquence de résonance et les séquences de commutation.

Le convertisseur DAB est constitué de deux ponts actifs complets, côté primaire et secondaire, reliés par un transformateur haute fréquence. À l'instar de la topologie CLLC, les deux ponts comportent des commutateurs actifs permettant un flux de puissance bidirectionnel. Généralement, des MOSFET SiC sont utilisés pour les commutateurs Q1 à Q4, et des MOSFET Si pour les commutateurs Q5 à Q8. Le convertisseur DAB requiert des algorithmes de contrôle avancés pour gérer avec précision le déphasage entre les ponts.

Topologies d'onduleurs (CC-CA)

La topologie ANPC (Active Fixed Neutral Point) est une configuration d'onduleur avancée. Elle s'appuie sur la topologie NPC (Fixed Neutral Point) conventionnelle en ajoutant des commutateurs actifs qui contribuent à réduire les pertes par conduction et par commutation. L'onduleur ANPC peut générer trois niveaux de tension, réduisant ainsi la contrainte de tension sur chaque composant et permettant d'obtenir une sortie CA plus stable avec une distorsion harmonique totale plus faible. Les commutateurs Q1 à Q4 fonctionnent à la fréquence du réseau, tandis que Q5 et Q6 modulent à 50 kHz ou plus. Dans un onduleur ANPC, tous les commutateurs de puissance peuvent avoir une tension de claquage nominale de 600 ou 650 V. L'utilisation de MOSFET SiC pour les commutateurs Q5 et Q6 améliore le rendement et la densité de puissance. L'onduleur ANPC requiert des algorithmes de commande avancés. Cette topologie est plus complexe à concevoir et à commander que des topologies telles que le pont en H.

La topologie en pont en H est appréciée pour sa simplicité, son efficacité et sa polyvalence, puisqu'elle se compose de quatre éléments de commutation. Pour la ligne de commutation rapide, Q3 et Q4 utilisent généralement des MOSFET SiC 650 V ou des HEMT GaN, tandis que pour Q1 et Q2, des MOSFET Si avec diode de corps rapide (MOSFET SJ) sont appropriés. Le principal inconvénient de ce fonctionnement à deux niveaux réside dans l'utilisation d'un filtre de sortie relativement volumineux, car celui-ci régénère de l'énergie lors du passage du courant libre vers le condensateur DC.

L'onduleur HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) se distingue par son rendement élevé et ses performances de conversion CC/CA supérieures. Dans cette configuration, deux interrupteurs antiparallèles, Q5 et Q6, sont ajoutés à l'onduleur en pont en H classique pour déconnecter le côté CA des modules photovoltaïques en l'absence de production d'énergie. Cette topologie comprend six semi-conducteurs : les quatre du pont en H (Q1 à Q4) commutent à haute fréquence, tandis que les deux externes fonctionnent à la fréquence du réseau. Les semi-conducteurs Q5 et Q6 permettent au courant de circuler par le chemin le plus court lorsque la tension de sortie de l'onduleur en pont en H est nulle. Le principal avantage de l'onduleur HERIC réside dans le fait que seuls deux interrupteurs fonctionnent simultanément, quel que soit le mode de fonctionnement.

Les dispositifs à large bande (WBG) offrent des avantages indéniables aux convertisseurs CC-CC bidirectionnels et aux onduleurs CC-CA. Les dispositifs en SiC et GaN présentent des énergies de commutation très faibles et des charges de récupération inverse (Qrr) négligeables, voire nulles, réduisant ainsi les pertes par commutation et par récupération inverse.

Conclusion

L'intégration du stockage d'énergie aux systèmes photovoltaïques représente une avancée majeure dans la manière dont nous exploitons l'énergie solaire. Un approvisionnement électrique fiable et constant réduit la dépendance au réseau et optimise l'utilisation de l'énergie solaire. Ces systèmes offrent de nombreux avantages économiques et environnementaux. Les composants SiC et GaN permettent un flux bidirectionnel pour les topologies de redressement synchrone, garantissant un rendement et une densité de puissance élevés. Arrow Electronics a toujours été un fervent défenseur de l'efficacité énergétique et souhaite contribuer à ce débat en démontrant les avantages indéniables du choix de composants SiC 650 V, 1 200 V et 2 200 V, grâce à des cartes d'évaluation qui simplifient la conception et accélèrent la mise sur le marché.

Omara Aziz - Responsable mondiale du segment des technologies de puissance, Arrow Electronics