Les capteurs de courant utilisés dans les onduleurs photovoltaïques doivent répondre à ces exigences : ils doivent être compacts et offrir des performances équivalentes, voire supérieures, à moindre coût que les capteurs qu’ils remplacent. Les installations photovoltaïques utilisent généralement des capteurs de courant en trois points. L’un est situé côté courant continu pour le système de suivi du point de puissance maximale (MPPT). Les deux autres sont situés côté courant alternatif : le premier pour définir les paramètres de la forme d’onde du courant de sortie et le second, par mesure de sécurité, pour mesurer le courant différentiel résiduel (CDR) en sortie, généré par les fuites à la terre et susceptible d’entraîner l’arrêt du système. Cet article présente un nouveau capteur compact spécialement conçu pour la mesure du courant différentiel résiduel.
1. INTRODUCTION
La figure 1 illustre les principaux composants entourant l'onduleur dans un système photovoltaïque généralement utilisé dans les installations résidentielles jusqu'à environ 20 kW. Plusieurs onduleurs de ce type peuvent être combinés pour former un système complet, raccordé au réseau électrique via des compteurs.
Figure 2. Tensions et courants résiduels dans l'installation PV.
Au cours de la dernière décennie, de nouveaux MOSFET en silicium ont été intégrés aux onduleurs, et à l'avenir, les MOSFET à base de SiC et de GaN remplaceront progressivement ceux à base de silicium. Ceci permet d'augmenter les fréquences de commutation, ce qui réduit la taille des composants réactifs (inductances, condensateurs) et, par conséquent, leurs dimensions. Un onduleur de 2 kW, disponible en 2010 et pesant 20 kg selon les spécifications du fabricant, a été remplacé en 2016 par un modèle pesant moins de 10 kg. Afin que les transducteurs de courant utilisés comme dispositifs de mesure dans un système photovoltaïque continuent de représenter une part négligeable de l'espace et du poids totaux, leur taille doit également être réduite sans compromettre leurs performances. De même, leur coût doit lui aussi diminuer pour suivre la tendance générale à la baisse du système d'onduleur.
La figure illustre trois transducteurs de courant LEM, chacun intégrant un circuit intégré spécifique CMOS propriétaire conçu sur mesure avec des cellules à effet Hall entièrement intégrées. Côté courant continu de l'onduleur se trouve un convertisseur GO en boucle ouverte ; côté courant alternatif, un convertisseur LPSR en boucle fermée pour le système de commande de l'onduleur ; et en sortie, un convertisseur LDSR en boucle fermée, un nouveau transducteur différentiel pour le mode RCM. (Pour une explication détaillée des transducteurs à effet Hall en boucle ouverte et en boucle fermée, voir la référence (1))
La figure 2 illustre les formes d'onde de tension côté CC et côté CA de l'onduleur. Dans un système sans transformateur, le côté CC présente bien une tension continue correspondant à la tension de sortie des cellules photovoltaïques entre les nœuds PV+ et PV- (cette tension peut nécessiter un convertisseur CC/CC). Cependant, chaque nœud PV génère également une tension alternative dont la valeur de crête est similaire à la tension de sortie de crête côté CA. Négliger cette différence au niveau du système représente un risque important pour la sécurité.
2. Mesure du courant résiduel pour des raisons de sécurité.
Dans un système photovoltaïque typique, les nœuds PV+ et PV- de la figure 1 sont de grande taille. La tension moyenne à chaque nœud, par rapport à la masse, est égale à la moitié de la tension aux bornes des cellules photovoltaïques, mais elle comprend également une tension alternative dont la valeur de crête est similaire à celle des cellules. Si une personne touche les nœuds PV+ ou PV- (ou, plus généralement, n'importe quel nœud du côté CC de l'onduleur), un courant de fuite circule entre le système et la personne, puis vers la masse. Comme seul le nœud de sortie N maintient son potentiel au niveau de la masse, ce courant de fuite retourne au système par ce nœud, provoquant un déséquilibre de courant continu, ou courant résiduel, entre les sorties L et N. Ce courant résiduel doit être détecté afin que le système puisse réagir au plus vite et protéger la personne qui l'a généré. Parmi les difficultés liées à la mesure de la résistance (RCM), on peut citer :
i) La valeur absolue du courant à détecter est faible, de l'ordre de quelques dizaines de mA ; par conséquent, les décalages des transducteurs doivent être suffisamment faibles pour détecter ce niveau de courant ;
ii) Le courant de sortie alternatif a une valeur comprise entre zéro et quelques dizaines d'ampères, et le courant résiduel doit être détecté en sa présence ;
iii) La capacité entre les panneaux photovoltaïques et la terre implique qu'un courant circule toujours vers la terre, et l'objectif du système est de distinguer ce courant d'un courant additionnel dû à un contact humain dangereux.
La figure 2 illustre le chemin du courant de fuite dans un système d'onduleur simplifié avec le nouveau transducteur LEM LDSR utilisé pour la mesure de courant résiduel (RCM).
Parmi les trois points mentionnés ci-dessus, (i) et (ii) ont été réalisés avec LDSR grâce à une conception spéciale pour RCM, tandis que (iii) est réalisé en appliquant un algorithme de traitement du signal à la sortie du transducteur.
La figure 3 illustre la structure de base du RCM : un circuit intégré spécifique (ASIC) doté d’une cellule à effet Hall, similaire à celle utilisée dans le transducteur LPSR, occupe le centre d’un transducteur en boucle fermée. Les courants alternatifs I1 et I2 s’annulent, et le faible courant résiduel est détecté par l’ASIC de la cellule à effet Hall et compensé dans l’enroulement secondaire, qui comporte beaucoup moins de spires que le LPSR, le courant à détecter étant nettement plus faible.
Figure 3 : Principe de fonctionnement du RCM basé sur la technologie en boucle fermée à effet Hall.
L'analyse détaillée de la position du conducteur primaire (Figure 3) indique que l'annulation des courants I1 et I2 n'est pas parfaite et que le champ magnétique résiduel dans l'entrefer dépend de leur position. Par conséquent, il a été décidé de définir précisément la position des conducteurs primaires, et à cette fin, un circuit imprimé multicouche a été choisi pour le transducteur. De plus, le capteur RCM ne nécessite que quelques dizaines de spires dans la bobine secondaire, ce qui permet de les intégrer également sur un circuit imprimé. Il en résulte un capteur innovant, de conception beaucoup plus simple que les autres capteurs à boucle fermée. Bien que le placement des conducteurs primaires sur un circuit imprimé limite le courant maximal dans le primaire, la valeur admissible de 35 A par conducteur est largement suffisante pour les installations domestiques.
Pour les tests, une bobine supplémentaire est enroulée sur le circuit imprimé du circuit intégré spécifique (ASIC), de manière concentrique au circuit secondaire. Ceci est utile pour les tests système : le courant qui la traverse fournit un signal de sortie du transducteur, de la même manière que la différence de courant entre les enroulements primaires.
Comme le transducteur LPSR, le circuit intégré spécifique (ASIC) est conçu pour avoir un décalage minimal, et le décalage lié au courant d'entrée est réduit en plaçant un trou dans le circuit imprimé sous l'ASIC, ce qui rend l'entrefer aussi petit que possible dans le circuit magnétique.
En raison de la haute sensibilité du LDSR, un blindage magnétique est placé autour de l'ASIC et de l'entrefer.
La figure 4 montre une photographie du transducteur LDSR.
En général, les courants de fuite détectés par le LDSR comportent des composantes alternatives et continues. Chaque utilisateur applique un algorithme spécifique à la sortie du transducteur pour déterminer le seuil de fuite « excessif » et prendre les mesures appropriées. Un scénario particulièrement complexe se présente lorsqu'une composante alternative de fuite importante, naturelle et variable (dépendant par exemple de l'humidité ambiante) est présente en raison de capacités parasites. Dans ce cas, il est impératif de détecter le niveau de fuite maximal induit par le contact d'une personne côté courant continu. L'impédance présentée par une personne étant très résistive, comme illustré sur la figure 5, le courant ajouté est pratiquement égal à la valeur efficace du courant de fuite ; l'effet principal est un déphasage.
Figure 5 : Effet après l'ajout d'un chemin résistif à la fuite.
Il y a également, bien sûr, du bruit qui s'ajoute aux courants réels et imaginaires de la figure 5. Si une seule fréquence est connue, elle doit être analysée à l'aide d'un échantillonnage ; l'algorithme de Goertzel est très efficace. Sur la figure 6, un courant de fuite de 30 mA rms (courant de fuite personnel) est ajouté à un courant de fuite capacitif de 300 mA rms (courant de fuite capacitif) avec un bruit de 7,5 mA rms après 0,1 s. L'effet visible sur le courant de fuite total est quasiment imperceptible, mais après traitement par l'algorithme de Goertzel, le courant est facilement ramené à 30 mA. Si cette valeur dépasse un seuil prédéfini, des mesures appropriées peuvent être prises au niveau du système.
Figure 6. Simulation du courant résiduel pendant un défaut et sortie de l'algorithme de Goertzel.
Conclusion
Cet article utilise l'exemple des installations photovoltaïques pour illustrer les progrès récents réalisés dans le domaine des transducteurs de courant LEM destinés à la mesure du courant résiduel. Leur taille et leur coût ont été réduits, tandis que leurs performances ont été maintenues, voire améliorées. Ces transducteurs sont désormais conçus sans le composant d'induction magnétique auparavant indispensable. Cette innovation est rendue possible par le transfert de la complexité de conception du transducteur vers les circuits intégrés spécifiques à effet Hall qu'il utilise.
Référence (1) : https://www.lem.com/en/file/3139/download
