Améliorer l'efficacité énergétique : le rôle des systèmes de stockage d'énergie dans l'intégration photovoltaïque

Alors que le monde évolue vers des sources d’énergie plus durables et renouvelables, l’énergie solaire est devenue un acteur clé sur le marché de l’énergie. Les systèmes solaires photovoltaïques (PV) sont largement adoptés par les propriétaires, les entreprises et les services publics pour leur capacité à générer de l’énergie propre tout en diminuant la dépendance aux combustibles fossiles et en réduisant les factures d’électricité. Cependant, l’un des défis de l’énergie solaire est son caractère intermittent. Le soleil ne brille pas toujours et, par conséquent, la production d’énergie peut être irrégulière. Le besoin d’onduleurs solaires à haut rendement, à densité de puissance améliorée et à capacités de gestion de puissance plus élevées continue de croître. C’est là que l’intégration des systèmes de stockage d’énergie (ESS) avec les onduleurs solaires devient une solution révolutionnaire et puissante pour garantir un approvisionnement énergétique cohérent et fiable. À mesure que la technologie continue de s’améliorer et que les coûts diminuent, l’adoption de systèmes solaires et de stockage devrait augmenter, ouvrant la voie à un avenir énergétique plus durable et plus résilient. Cet article explore les avantages, les types et les considérations topologiques pour l’intégration du stockage d’énergie aux systèmes PV dans les installations résidentielles et commerciales.

Comprendre les onduleurs solaires et le stockage d'énergie

Les onduleurs solaires sont le cœur d’un système solaire photovoltaïque. Ils convertissent l’électricité en courant continu (CC) générée par les panneaux solaires en électricité en courant alternatif (CA) qui peut ensuite être injectée dans le réseau. En plus de la conversion, les onduleurs solaires gèrent le flux d'énergie, optimisent les performances du système et fournissent des mécanismes de sécurité pour protéger l'ensemble du système PV.

Les systèmes de stockage d’énergie (ESS) sont des technologies qui stockent l’énergie pour une utilisation ultérieure afin de contribuer à équilibrer l’offre et la demande et d’améliorer la fiabilité du réseau. Ces systèmes peuvent stocker de l’énergie sous différentes formes : électrique, chimique, mécanique et thermique. Il existe plusieurs types d'ESS et voici les méthodes les plus courantes :

• Les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) tels que les « batteries lithium-ion » sont largement utilisés compte tenu de leur densité énergétique élevée, de leur efficacité et de leurs coûts en baisse. Fréquemment utilisés dans le stockage en réseau et les véhicules électriques.
• Les systèmes de stockage mécaniques tels que le « stockage hydraulique par pompage » représentent la technologie de stockage à grande échelle la mieux établie. Il s’agit du mouvement de l’eau entre deux réservoirs situés à différentes altitudes. Ce type offre la forme de stockage d’énergie avec la plus grande capacité.
• Systèmes de stockage thermique Le « stockage de sel fondu » est utilisé dans les centrales solaires thermiques pour stocker la chaleur et produire de l’électricité en cas de besoin. Ils sont utilisés dans des applications commerciales pour le stockage d’énergie à court terme.

Dans les systèmes solaires photovoltaïques, les BESS de batteries lithium-ion sont souvent utilisés pour stocker l’excédent d’électricité produit par les panneaux solaires. Cette énergie stockée peut être utilisée pendant les périodes où la production solaire est faible (nuit et jours nuageux) ou pendant les périodes de pointe de demande, assurant ainsi une alimentation électrique stable et fiable.

Les avantages de l’intégration du stockage d’énergie avec les onduleurs solaires

L’intégration de l’ESS aux onduleurs solaires offre indépendance et fiabilité énergétiques. En stockant l’énergie solaire excédentaire, les utilisateurs peuvent réduire leur dépendance à l’égard du réseau et garantir une alimentation électrique constante, même en cas de panne ou de période de faible production solaire. Cela permet d’utiliser l’énergie solaire stockée pendant les périodes de pointe ou lorsque les prix de l’électricité sont plus élevés, ce qui permet de réduire les coûts des services publics et de minimiser la pression sur l’infrastructure électrique. En outre, les systèmes de stockage d’énergie peuvent contribuer aux services de régulation de la fréquence en stabilisant la fréquence du réseau et en améliorant la performance globale du réseau.

Segmentation des systèmes de stockage d'énergie

Les systèmes de stockage d’énergie ont un large éventail d’applications. La segmentation des systèmes de stockage d’énergie est divisée en deux catégories : les systèmes en amont du compteur (FTM) et les systèmes en aval du compteur (BTM). Les systèmes de stockage d’énergie en amont du compteur sont généralement associés à des systèmes de grande puissance de plus de 5 MW d’énergie. Il s’agit ici d’un ESS stationnaire volumineux, qui commence par la phase de production, soit en combinaison avec des systèmes PV à l’échelle de l’entreprise ou des systèmes éoliens, passe à la phase de transmission et se termine par la phase de distribution. La partie droite représente l’ESS BTM. Dans ce segment, les systèmes de stockage d’énergie sont combinés avec des systèmes photovoltaïques résidentiels et commerciaux dans la gamme de quelques kilowatts à 5 mégawatts.

Types d'onduleurs solaires

Les onduleurs de branche fonctionnent en ajoutant des panneaux solaires à des branches. La puissance CC combinée des panneaux est envoyée à un seul onduleur qui la convertit en courant alternatif. Ils sont couramment utilisés dans les installations résidentielles, commerciales et à l’échelle des services publics. Les onduleurs de branche génèrent du courant alternatif monophasé ou triphasé à des niveaux de puissance élevés allant jusqu’à 200 kW. Les tensions du panneau sont d'environ 600 V, suivies d'un convertisseur élévateur CC-CC pour fournir la tension de liaison CC pour un onduleur monophasé. Pour les onduleurs triphasés, on utilise une tension de panneau de 1 000 à 1 500 volts CC avec un convertisseur de puissance. Les onduleurs string sont rentables et relativement simples à installer et à entretenir. Le problème peut survenir si l’un des panneaux de la chaîne est ombragé ou ne fonctionne pas correctement, ce qui peut affecter les performances de l’ensemble du système..

À l’inverse, les micro-onduleurs couplent chaque panneau à son micro-onduleur individuel et convertissent le courant continu en courant alternatif au niveau du panneau. Ces systèmes sont câblés en parallèle et non en série comme les onduleurs de branche. Par conséquent, si un panneau est ombragé ou sous-performant, cela n’a pas d’impact sur le rendement des autres panneaux. La puissance typique des micro-onduleurs est de 200 W à 1,5 kW avec une tension de panneau photovoltaïque de 40 à 80 V. Ce type d’onduleur est idéal pour les systèmes résidentiels où les panneaux peuvent être orientés dans des directions différentes. Les avantages des micro-onduleurs sont qu’ils maximisent la production de chaque panneau indépendamment. Par conséquent, l’impact de l’ombrage ou de l’inadéquation des panneaux peut être minimisé. De plus, les micro-onduleurs offrent une surveillance détaillée de chaque panneau pour une meilleure maintenance et un meilleur suivi des performances. Le principal inconvénient est le coût initial élevé par rapport aux onduleurs de branche.

L’intégration de systèmes de stockage d’énergie avec des panneaux solaires photovoltaïques donne naissance à un onduleur hybride. Ce type d'onduleurs fonctionne dans les deux sens, l'énergie solaire CC générée est convertie directement en CA ou stockée avant la conversion en CA. Les onduleurs hybrides optimisent l’utilisation et le stockage de l’énergie en gérant le flux d’électricité entre les panneaux solaires, les batteries et le réseau. Ils peuvent être configurés pour donner la priorité à la charge de la batterie, à l’interaction avec le réseau ou à l’autoconsommation en fonction des préférences de l’utilisateur et des tarifs des services publics.

Systèmes de couplage de stockage d'énergie

Il existe deux approches différentes pour intégrer le stockage par batterie aux systèmes solaires photovoltaïques. L'ESS couplé en courant alternatif et l'ESS couplé en courant continu. Chacun présente ses propres avantages et inconvénients en fonction de l’application spécifique, de la configuration du système et des besoins de l’utilisateur. La principale différence entre un système couplé en courant alternatif et un système couplé en courant continu réside dans le trajet parcouru par l'électricité une fois produite à partir des panneaux solaires.

Dans un système couplé au courant alternatif, le système solaire photovoltaïque et le système de stockage par batterie sont connectés au réseau de courant alternatif par l’intermédiaire de leurs onduleurs respectifs. Les panneaux solaires génèrent du courant continu qui est converti en courant alternatif par un onduleur solaire. De l’autre côté, le système de stockage par batterie est généralement équipé de ses propres étages DC-DC bidirectionnels et d’un onduleur pour la charge et la décharge vers le réseau AC.

Au contraire, dans le système couplé en courant continu, les panneaux solaires et le stockage par batterie partagent un bus continu commun et utilisent principalement un seul onduleur pour convertir le courant continu en courant alternatif pour le réseau ou l'utilisation domestique. Les panneaux solaires peuvent être utilisés pour charger directement les batteries, puis le courant continu stocké est converti en courant alternatif par le biais d’un onduleur hybride en cas de besoin.

Topologies de puissance pour les onduleurs de chaîne solaire et les systèmes de stockage d'énergie (ESS)

Différentes topologies de puissance peuvent être utilisées pour concevoir les étages de convertisseur DC/DC et d'onduleur DC/AC. Différentes topologies offrent des avantages distincts et sont choisies en fonction des besoins en énergie, de l'efficacité, du coût et de la complexité. Voici quelques-unes des topologies d’alimentation les plus courantes :

Dans le premier étage du convertisseur, le système de suivi du point de puissance maximale (MPPT) a pour fonction de convertir la tension de la branche en un niveau adapté à l’onduleur. Généralement, 400 V pour une alimentation monophasée et 800 V pour une alimentation triphasée. L'étage DC-DC de l'optimiseur de puissance MPPT est conçu pour maximiser la production d'énergie d'un système photovoltaïque solaire en optimisant individuellement les performances de chaque panneau solaire du réseau. Il ajuste la sortie du panneau à son point de puissance optimal avant d'envoyer l'énergie à l'étage de l'onduleur. Cette optimisation est cruciale car la production d’énergie d’un panneau solaire peut varier en fonction de l’intensité de la lumière solaire, de l’ombrage, de la température et de l’inadéquation des panneaux.

La tendance actuelle est d'augmenter la tension de liaison CC à 1 000 V ou 1 500 V, afin de réduire les pertes de puissance dans le système et de permettre l'ajout de plus de panneaux 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 cette étape sont le convertisseur boost entrelacé, le convertisseur Phase-Shift-Full-Bridge (PSFB) et le convertisseur LLC.

Le deuxième étage du convertisseur est le DC-DC bidirectionnel. Cette étape permet de charger ou de stocker de l'énergie dans la batterie, et de décharger ou de libérer cette énergie en cas de besoin. Les topologies isolées typiques sont CLLLC et DAB.

L'étage de puissance de l'onduleur assure la fonction de conversion de la tension du lien CC en tension CA pour le réseau. Les topologies courantes incluent les B6 et H-bridge à deux niveaux, ainsi que les ANPC et HERIC à trois niveaux. Les topologies d’onduleurs multiniveaux sont devenues populaires dans les applications de moyenne et haute puissance. Les avantages de l’utilisation de topologies d’onduleurs à trois niveaux sont les suivants :

1. Réduction de la dissipation de puissance qui conduit à un dissipateur thermique plus petit.
2. Minimisation de l'ondulation du courant afin que le filtrage soit plus facile en raison d'un contenu harmonique plus faible.
3. Réduction significative des interférences électromagnétiques.

Examinons de plus près les topologies les plus courantes pour les étages DC/DC. La sélection des interrupteurs d'alimentation du côté secondaire dépend de la tension de la batterie. Par exemple, dans les systèmes de stockage d’énergie résidentiels, on utilise souvent des packs de batteries de 48 V, tandis que le segment commercial se situe davantage dans le domaine des batteries de 400 V.

Convertisseur CC-CC en pont complet à déphasage ZVS
La topologie de pont complet à décalage de phase à commutation de tension nulle (ZVS) est recommandée dans une configuration de liaison CC 400 V avec des MOSFET en carbure de silicium (SiC) 650 V pour les commutateurs Q1 à Q4 afin d'obtenir une efficacité élevée et une densité de puissance élevée. Les commutateurs sont contrôlés à l'aide d'une technique de déphasage qui permet aux commutateurs de s'allumer lorsque la tension à leurs bornes est nulle. Cela réduit considérablement les pertes de commutation et les interférences électromagnétiques (EMI), ainsi que les contraintes sur les dispositifs semi-conducteurs. De plus, 650 diodes SiC sont le bon choix pour D1 et D2 du côté primaire. Dans le cas d’une configuration de 800 V DC-link, il faut sélectionner des SiC-MOSFETs et des SiC-Diodes de 1 200 V. Du côté secondaire, pour les interrupteurs Q5 à Q8, la sélection des interrupteurs d’alimentation dépend de la tension de la batterie.

Le convertisseur CC-CC CLLC
L'une des topologies CC-CC bidirectionnelles les plus courantes est le convertisseur CLLC. Il utilise deux inducteurs (L) et deux condensateurs (C) dans un circuit réservoir résonant. L’arrangement ressemble typiquement à un réservoir résonant « LLC » reflété à la fois sur les côtés primaire et secondaire. Les MOSFET SiC sont utilisés pour les commutateurs Q1 à Q4, tandis que les MOSFET en silicium (Si) sont sélectionnés pour Q5 à Q8. La conception CLLC permet d’obtenir un ZVS pour les commutateurs du côté primaire, ce qui contribue à réduire les pertes de commutation et à améliorer l’efficacité. Il peut réaliser une commutation à courant nul (ZCS) sur le côté secondaire pour améliorer encore l'efficacité en minimisant les pertes de commutation lors de la mise hors tension. Le convertisseur CLLC nécessite un contrôle précis pour gérer efficacement la fréquence de résonance et les séquences de commutation.

Le convertisseur CC-CC DAB
Le convertisseur DAB se compose de deux circuits actifs en pont complet du côté primaire et du côté secondaire, reliés par un transformateur haute fréquence. Comme la topologie CLLC, les deux ponts sont composés de commutateurs actifs qui permettent un flux de puissance bidirectionnel. En règle générale, les SiC-MOSFET sont utilisés pour les commutateurs Q1 à Q4 et les Si-MOSFET pour les Q5 à Q8. Le convertisseur DAB nécessite des algorithmes de contrôle sophistiqués pour gérer avec précision le déphasage entre les ponts.

L’onduleur CC-AC ANPC
En ce qui concerne l’onduleur, la topologie ANPC (Active Neutral Point Clamped) est une configuration d’onduleur avancée. Il s’appuie sur la topologie conventionnelle à point neutre bloqué (NPC) en ajoutant des interrupteurs actifs qui contribuent à réduire les pertes de conduction et de commutation. L'onduleur ANPC peut produire plusieurs niveaux de tension qui minimisent la contrainte de tension sur chaque composant et, par conséquent, une sortie CA plus douce avec une distorsion harmonique totale plus faible peut être obtenue. Les commutateurs Q1 à Q4 fonctionnent à la fréquence de ligne tandis que Q5 et Q6 modulent à 50 kHz ou même plus. Dans l’ANPC, tous les interrupteurs d’alimentation peuvent avoir une tension de claquage de 600 ou 650 volts. En utilisant des SiC-MOSFET pour les commutateurs Q5 et Q6, une augmentation de l'efficacité et de la densité de puissance peut être réalisée. Des algorithmes de contrôle avancés sont requis pour l'onduleur ANPC. Cette topologie est plus complexe à concevoir et à contrôler que des topologies comme le pont en H.

L’onduleur CC-CA à pont H4
La topologie en pont en H est populaire en raison de sa simplicité, de son efficacité et de sa polyvalence, car elle se compose de quatre éléments de commutation. Les transistors SiC-MOSFET 650 V ou GaN-HEMT (transistors à haute mobilité électronique au nitrure de gallium) sont couramment utilisés pour les lignes de commutation rapide Q3 et Q4, tandis que pour Q1 et Q2, les transistors Si-MOSFET avec diode de corps rapide sont le bon choix. Le principal inconvénient de ce fonctionnement à deux niveaux est qu’il implique un filtre de sortie relativement important puisqu’il régénère l’énergie pendant la phase de roue libre vers le condensateur de courant continu.

La topologie de l'onduleur CC-CA HERIC
HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) est particulièrement remarquable pour son rendement élevé et ses performances supérieures dans la conversion du courant continu en courant alternatif. Dans cette configuration, deux interrupteurs antiparallèles Q5 et Q6 sont ajoutés à l’onduleur conventionnel à pont en H pour découpler le côté CA des modules PV à un stade nul. Cette topologie est composée de six interrupteurs, dont les quatre du pont en H (Q1 à Q4) commutent à haute fréquence et les deux externes à la fréquence du réseau. Les commutateurs Q5 et Q6 transmettent le courant de roue libre par le chemin le plus court pendant la période où la tension de sortie de l'onduleur à pont en H est nulle. Le principal avantage de l’onduleur HERIC est que seuls deux commutateurs fonctionnent simultanément dans tous les modes de fonctionnement.

Les dispositifs à large bande interdite (WBG) offrent des avantages évidents pour les topologies de convertisseurs CC-CC bidirectionnels et d'onduleurs CC-CA. Les dispositifs SiC et GaN ont des charges de récupération inverse très faibles (Qrr), voire aucune diode de corps, ce qui élimine les pertes de commutation dure ou de récupération inverse.

Considérations relatives à l'installation et à la maintenance

Un dimensionnement approprié du système solaire photovoltaïque et du système de stockage d’énergie est essentiel pour des performances optimales. Il s’agit de calculer les besoins énergétiques, la production des panneaux solaires et la capacité de batterie requise. Un surdimensionnement ou un sous-dimensionnement peut entraîner des inefficacités et des coûts plus élevés. La compatibilité de l’onduleur solaire et du système de stockage de batterie est essentielle. Certains fabricants proposent des solutions intégrées qui simplifient l’installation et l’exploitation. La compatibilité s’étend également aux logiciels et aux systèmes de surveillance qui gèrent le flux d’énergie global et les performances.

Conclusion

L’intégration du stockage d’énergie aux systèmes solaires photovoltaïques représente une avancée significative dans la manière dont nous exploitons et utilisons l’énergie solaire. Assurer une alimentation électrique fiable et cohérente réduit la dépendance au réseau et maximise l’utilisation de l’énergie solaire. Ces systèmes offrent de nombreux avantages économiques et environnementaux. Les dispositifs de puissance SiC et GaN permettent un flux bidirectionnel pour les topologies de rectification synchrone tout en obtenant une efficacité élevée et une densité de puissance élevée. Arrow Electronics a toujours été centré sur la promotion de l’efficacité énergétique et nous sommes impatients de contribuer à cette discussion en démontrant les avantages évidents d’opter pour les dispositifs SiC 650 V, 1 200 V et 2 200 V avec des cartes de référence qui facilitent l’effort de conception et raccourcissent les délais de mise sur le marché.