Système de conversion de puissance (PCS) : Le cœur du stockage et de la charge de l’énergie photovoltaïque

Les systèmes photovoltaïques de stockage d’énergie et de recharge sont des solutions énergétiques complètes qui combinent la production d’énergie solaire, le stockage d’énergie et la recharge des véhicules électriques. Ces systèmes innovants améliorent l’efficacité énergétique, équilibrent les charges du réseau et répondent rapidement aux demandes soudaines d’énergie. Au cœur de ces systèmes intégrés se trouve un composant essentiel appelé système de conversion d’énergie (PCS) ou onduleur de stockage d’énergie.

Qu’est-ce qu’un PCS et comment fonctionne-t-il ? Plongeons dans cette technologie qui change la donne.

PCS 101 : Les bases

Un système de conversion d’énergie est essentiellement le pont entre le système de batterie et le réseau (et/ou la charge) dans un système de stockage d’énergie électrochimique. Sa principale fonction est de permettre la conversion bidirectionnelle de l’énergie électrique.

Lorsque la batterie se décharge, le PCS convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA) compatible avec le réseau ou la charge. Lorsque la batterie est en charge, il fait l’inverse en convertissant le courant alternatif du réseau en courant continu qui peut être stocké dans la batterie. Pas mal, non ?

Le PCS est composé d’un onduleur bidirectionnel DC/AC et d’une unité de contrôle. L’unité de contrôle reçoit des commandes du système dorsal via la communication et commande l’onduleur pour charger ou décharger la batterie en fonction du signe et de la taille de la commande de puissance. Cela permet au PCS de réguler la puissance active et réactive du réseau.

Topologies PCS : Simple ou double étage

Les topologies PCS peuvent être classées en deux catégories : les structures à un étage et les structures à deux étages. Voyons ce qu’il en est :

1. Structure à une étape

Un PCS à un étage se compose d’un seul étage CC/CA (un onduleur à modulation de largeur d’impulsion). Lors de la décharge, l’énergie CC stockée dans la batterie est convertie en courant alternatif par l’onduleur PWM et renvoyée au réseau. Lors de la charge, le courant alternatif du réseau est redressé en courant continu par l’onduleur et stocké dans la batterie.

Pour :

• Haute efficacité
• Structure simple
• Faibles pertes
• Contrôle facile

Cons :

• Moins de flexibilité dans la configuration des capacités
• Plage de fonctionnement étroite de la tension de la batterie

2. Structure à deux étages

Un système de conversion d’énergie à deux étages -PCS- comporte à la fois un convertisseur DC/DC et un onduleur PWM. Pendant la décharge, le courant continu de la batterie est d’abord amplifié par le convertisseur CC/CC avant d’être inversé en courant alternatif par l’onduleur MLI et d’être fourni au réseau. Pendant la charge, le courant alternatif du réseau est redressé en courant continu par l’onduleur PWM, puis le convertisseur DC/DC abaisse la tension pour charger la batterie.

Pour :

• Possibilité de connecter plusieurs blocs-batteries
• Contrôle indépendant de la charge/décharge de chaque pack via des étages DC/DC séparés
• Large plage de fonctionnement de la tension de la batterie
• Pas de courants circulants entre les packs
• Une gestion plus facile des opérations

Cons :

• Pertes de système plus élevées
• Efficacité globale plus faible
• Plus complexe avec de nombreux convertisseurs DC/DC
• Nécessite une coordination étroite entre deux onduleurs
• Contrôle plus difficile et fiabilité moindre

Pour les cellules de batterie en série ou en série parallèle, un onduleur à un étage est plus approprié. Pour les groupes de batteries en série et en parallèle, on utilise souvent une conception à deux étages où chaque groupe de batteries connecté en série se connecte à un convertisseur CC/CC bidirectionnel, qui se connecte ensuite à la liaison CC d’un onduleur CC/CC central qui assure l’interface avec le réseau.

Niveaux de tension du PCS : Deux niveaux et trois niveaux

Système de conversion de l’énergie – Les topologies des systèmes de conversion de l’énergie peuvent également être divisées par niveaux de tension en topologies de circuit à deux niveaux et à plusieurs niveaux (généralement à trois niveaux).

Les circuits à deux niveaux sont la structure classique des ponts triphasés. Les circuits à trois niveaux, en revanche, sont plus largement utilisés dans les applications à haute tension. En ajoutant une tension de point neutre 0, ils augmentent l’utilisation de la tension, réduisent les harmoniques, améliorent la qualité de la tension, diminuent la taille du filtre, réduisent la fréquence de commutation et augmentent ainsi l’efficacité du système.

1. Circuits à deux niveaux

Dans une topologie PCS à deux niveaux, la forme d’onde de la tension de sortie de l’onduleur DC/AC commute entre deux niveaux différents pour réaliser la conversion et le contrôle de l’énergie.

Caractéristiques :

• Conception simplifiée avec des interrupteurs électroniques de puissance (IGBT)
• Rendement élevé dans les applications à basse et moyenne tension
• Largement utilisé en raison de sa structure simple et de son faible coût

Principe :
Lorsque l’interrupteur est activé, la tension de sortie atteint un niveau élevé (+Ud). Lorsque l’interrupteur est éteint, la tension de sortie tombe à un niveau bas (-Ud ou 0V). En ajustant la fréquence de commutation et le rapport cyclique, la tension et le courant de sortie peuvent être contrôlés.

Pour :

• Structure simple, mise en œuvre et contrôle faciles
• Faible coût, adapté à la production de masse
• Efficacité et fiabilité élevées en basse/moyenne tension

Cons :

• Qualité relativement médiocre de la forme d’onde de sortie, harmoniques élevées
• Nécessite une fréquence de commutation élevée pour améliorer la forme d’onde
• Les applications à haute tension nécessitent des connexions série/parallèle des appareils

La topologie classique du circuit à deux niveaux en pont triphasé est illustrée à la figure. Ce redresseur PWM est déjà largement utilisé dans l’industrie. En contrôlant la conduction et la coupure des dispositifs de puissance IGBT, la tension de phase CA a deux niveaux +Ud et -Ud. Cependant, la qualité de la forme d’onde de cette tension de phase à deux états n’est pas bonne. La fréquence de commutation doit être augmentée pour améliorer la forme d’onde de la tension, mais cela entraîne une augmentation des pertes de commutation et réduit l’efficacité globale de l’onduleur.

2. Circuits à trois niveaux

Dans les applications à haute tension, les topologies multiniveaux, en particulier les circuits à trois niveaux, sont plus courantes en raison de leur simplicité et de leur praticité par rapport aux circuits à deux niveaux. Les circuits à trois niveaux ont une tension supplémentaire au point neutre 0.

Caractéristiques :

• Sortie multi-niveaux avec niveaux positifs, zéro et négatifs
• Forme d’onde de sortie améliorée, plus proche de la sinusoïde, moins d’harmoniques
• Efficacité accrue dans les applications à haute tension et à haute puissance
• Réduction des interférences électromagnétiques grâce à une fréquence de commutation réduite, meilleure CEM

Principe :
La tension continue est divisée en trois niveaux. Grâce à la modulation PWM , on obtient une tension de sortie réglable en continu. Lorsque les interrupteurs changent d’état, la sortie passe par les trois niveaux de tension pour un contrôle précis.

Composants :

1. Puissance principale : Relais DC HV, circuit de précharge, fusible DC, condensateur de bus, modules de puissance IGBT, filtre LC, fusible AC, disjoncteur AC, etc.
2. Détection des signaux : détection de tension/courant de haute précision, traitement des signaux, détection des défauts
3. Contrôle : processeur haute performance pour l’échantillonnage, le calcul, le contrôle, l’évaluation des défauts, la protection et la communication.
4. Pilote : Pilote IGBT pour une commutation optimale, détection de surintensité/température
5. Surveillance : IHM à écran tactile LCD, interfaces de communication
6. Alimentation auxiliaire pour le système de contrôle

Pour :

• Faible distorsion harmonique, haute qualité de la forme d’onde de sortie
• Réduction des interférences électromagnétiques grâce à une fréquence de commutation plus basse
• Diminution de la tension sur les interrupteurs, durée de vie plus longue, plus grande fiabilité
• Convient aux applications à haute puissance avec un meilleur contrôle des pertes et une meilleure stabilité

Cons :

• Contrôle plus complexe nécessitant une plus grande précision et une plus grande puissance de calcul
• Coûts de matériel plus élevés en raison du plus grand nombre de commutateurs et de circuits
• Efficacité légèrement inférieure à celle d’un système à deux niveaux dans certaines conditions, en particulier pour les charges légères.

Si l’on prend l’exemple de la topologie à trois niveaux NPC à diodes de serrage (figure ci-dessous), le condensateur de liaison CC est formé par C1 et C2. Chaque pont comporte 4 IGBT, 4 diodes de roue libre et 2 diodes de blocage. Les diodes de blocage garantissent que les deux IGBT supportent la même tension. Le point médian du condensateur se connecte au point médian des diodes de blocage de chaque phase, ce qui permet à la tension du point médian du condensateur de sortir un niveau zéro. Cela permet à chaque tension de phase d’avoir trois niveaux : +Ud/2, -Ud/2 et 0.

L’avenir est prometteur

Alors que les énergies renouvelables et les véhicules électriques poursuivent leur croissance rapide, le stockage photovoltaïque et l’intégration de la charge joueront un rôle de plus en plus vital dans notre avenir durable. Le héros méconnu, le système de conversion de l’énergie, alimentera ces systèmes énergétiques intégrés intelligents.

En comprenant les tenants et les aboutissants des topologies et des niveaux de PCS, nous pouvons concevoir et déployer des solutions de stockage et de charge photovoltaïques plus efficaces, plus fiables et plus rentables que jamais. De la maison à l’entreprise en passant par le réseau dans son ensemble, l’avenir de l’énergie s’annonce radieux.

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