Architecture et solutions pour onduleur solaire et système de stockage d'énergie par batterie

Dans l'actuelle vague de promotion de la transition énergétique et d'atteinte de la neutralité carbone, les onduleurs solaires et les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS) jouent un rôle central. Les onduleurs solaires sont chargés de convertir le courant continu (DC) généré par les panneaux solaires en courant alternatif (AC) pouvant être utilisé par les foyers, les industries et le réseau. Parallèlement, les systèmes de stockage d'énergie peuvent stocker efficacement l'électricité excédentaire, permettant des fonctions telles que la régulation de la charge, le lissage des pics, le comblement des creux et l'alimentation de secours. Cet article explore la composition architecturale des onduleurs solaires et des systèmes de stockage d'énergie par batteries, ainsi que les solutions connexes offertes par Littelfuse.

Les onduleurs solaires et les systèmes de stockage d'énergie par batterie sont devenus d'importantes solutions d'énergie alternative aujourd'hui. Sur le plan architectural, ils peuvent être divisés en systèmes solaires couplés CA et systèmes solaires couplés CC. Les systèmes solaires couplés CA utilisent des onduleurs doubles, composés d'un onduleur bidirectionnel avec batteries et d'un onduleur solaire, offrant une plus grande flexibilité et une installation plus facile, particulièrement adaptés aux projets de rénovation, tout en conservant les onduleurs reliés au réseau. Cependant, leur efficacité est inférieure car l'énergie utilisée par les batteries nécessite de multiples inversions et nécessite plusieurs composants tels que plusieurs transformateurs de moyenne tension et onduleurs. Pour les systèmes photovoltaïques (PV) existants, ils sont rentables.

Les systèmes solaires à couplage continu utilisent un seul onduleur pour alimenter la charge et ne conviennent pas aux projets de rénovation, nécessitant le remplacement des onduleurs existants et, dans de nombreux cas, la reconfiguration du câblage de l'ensemble PV. Cependant, leur efficacité est plus élevée car l'énergie ne nécessite pas de multiples inversions, moins de composants sont nécessaires, et les câbles courts entre le BESS et le système PV réduisent les pertes. Toutefois, leurs coûts sont plus élevés et l'installation dans les systèmes PV existants est complexe.

Les types de topologies d'onduleurs solaires peuvent être divisés en micro-onduleurs, onduleurs string, onduleurs multi-string et onduleurs centraux. Les micro-onduleurs ont une puissance nominale allant jusqu'à 300 W et sont principalement utilisés dans les bâtiments résidentiels, avec une tension de sortie de 230 VCA, monophasée, présentant des caractéristiques d'autoconsommation. Les onduleurs string ont une puissance nominale de 1 kW à 10 kW, principalement pour un usage résidentiel mais peuvent aussi être connectés au réseau, avec une tension de sortie de 230 VCA, monophasée. Si des optimiseurs de puissance ou optimiseurs DC - convertisseurs DC-DC avec fonctionnalité de Suivi du Point de Puissance Maximum (MPPT) - sont utilisés en combinaison avec des onduleurs string, l'efficacité globale du système solaire peut être améliorée. La fonctionnalité MPPT est effectuée au niveau de chaque panneau photovoltaïque pour s'assurer que tous les panneaux photovoltaïques fonctionnent à leur point de puissance maximale.

Les onduleurs multi-chaînes ont une puissance nominale de 30 kW à 200 kW, principalement pour des applications commerciales, industrielles et de services publics, avec une tension de sortie de 400 VAC, triphasée, comprenant l'auto-consommation et la compatibilité avec le réseau de distribution. Les onduleurs centraux ont une puissance nominale allant jusqu'à plusieurs mégawatts, principalement utilisés dans les réseaux moyenne tension et les centrales photovoltaïques, avec une tension de sortie de 400 VAC à 690 VAC, triphasée.

Littelfuse propose une large gamme de lignes de produits pour les onduleurs solaires et les systèmes de stockage d'énergie par batteries (BESS), comprenant des composants de protection d'entrée tels que des fusibles, des varistances à oxyde métallique (MOV), des dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) et des relais de défaut à la terre; des composants pour convertisseurs DC-DC tels que des MOSFET, des pilotes de grille, des diodes de suppression de surtension transitoire (TVS) et des capteurs de température; des composants pour onduleurs DC-AC tels que des modules IGBT, des pilotes de grille, des diodes TVS et des indicateurs de température.

En outre, il existe des composants pour la protection de sortie tels que des fusibles, des varistances, des parafoudres et des relais de défaut à la terre en courant alternatif ; des composants pour les alimentations auxiliaires tels que des MOSFET, des pilotes de grille et des diodes TVS ; et des composants pour les systèmes de stockage d'énergie de batterie (BESS) tels que des fusibles, des diodes TVS, des réseaux de diodes TVS, des relais de détection d'arc électrique, des SPD et des relais de défaut à la terre, ainsi que des composants pour les interfaces de communication tels que des réseaux de diodes TVS et des varistances multicouches (MLV). La variété des produits est assez diversifiée.

Si l'on classe par type d'onduleur, les produits potentiels de Littelfuse pour micro-onduleurs incluent des MOSFET (Trench Gate Gen2, Ultra-junction X2) ou IGBT (600-650 V Trench), des diodes TVS (SMCJ, SMDJ, SMBJ), des thermistances à coefficient de température négatif (NTC) (RA, RB, KR), des diodes Schottky en carbure de silicium (SiC) (diodes 650V), des varistances (MOV) (TMOV, UltraMOV, LA), des fusibles (215), des drivers de grille (IXD_6xxSI), des réseaux de diodes TVS (SP3130, SP712, SP2555NUTG), ou MLV (MLA, MHS), etc.

Les produits potentiels de Littelfuse pour les optimiseurs de puissance incluent des MOSFETs (Trench Gate Gen2), des diodes TVS (SMCJ, SMDJ, 1.5SMC, SMBJ), des thermistances NTC (RA, RB, KR), des drivers de grille (IXD_6xxSI), des réseaux de diodes TVS (SP3130, SP712, SP2555NUTG, SM712), ou des MLV (MLA, MHS).

Les produits potentiels de Littelfuse pour les onduleurs de chaîne incluent les MOV (UltraMOV, LA, SM20, TMOV), MOSFET (Trench Gate Gen2, Ultra-junction X2), diodes TVS (SMCJ, SMDJ, SMBJ), diodes Schottky SiC (diodes 650V), thermistances NTC (RA, RB, KR), IGBT (600-650 V Trench), fusibles (Classe J, Classe RK5, KLKD), drivers de grille (IXD_6xxSI, IX4351NE), arrays de diodes TVS (SP3130, SP712, SM712, SP2555NUTG), MLV (MLA, MHS), etc.

Les produits potentiels de Littelfuse pour les onduleurs multi-chaînes incluent des fusibles (SPF, SPFI, SPXV, SPXI, Classe T, Classe J), des SPD (SPD2 PV, SPD type 2), des MOSFETs SiC (LSIC1MO120E0120, LSIC1MO170E1000), des MOSFETs (séries haute tension), des diodes SiC (diodes 1200 V), des modules IGBT (MIXA, MIXG), des fusibles haute vitesse (L75QS), des diodes TVS (SMBJ, SMF), des MOV (UltraMOV, LA, SM7), des drivers de grille (IX4351NE), des réseaux de diodes TVS (SP3130, SP712, SM712, SP2555NUTG), des MLV (MLA, MHS).

Les produits potentiels de Littelfuse pour les onduleurs centraux incluent des fusibles en ligne (SPXI, SPFI), des fusibles (SPXV, SPNH, LFPXV, SPF, Class J, Class RK5, Class L), des SPD (SPD2 PV, SPD type 2), des interrupteurs sectionneurs CC (LS7xx, LS6xx), des MOSFETs SiC (LSIC1MO120E0120, LSIC1MO170E1000), des MOSFETs (série haute tension), des diodes SiC (diodes 1200 V), des modules IGBT (MIXA, MIXG), des fusibles haute vitesse (PSR, PSX), des diodes TVS (SMBJ, SMF), des relais de défaut à la terre CA (EL-731), des relais de défaut à la terre CC (EL-731, SE-601), des drivers de grille (IX4351NE), des réseaux de diodes TVS (SP3130, SP712, SM712, SP2555NUTG), des MLV (MLA, MHS).

Les produits potentiels de Littelfuse pour le BESS incluent des fusibles (501A, 881, TLS, JLLN, CNN, 885, Class J, Class RK5, Class L), des diodes TVS (TPSMC, SZ1SMC, SZ1.5SMC, TPSMB, SZ1SMB, SZP6SMB, TPSMA6L, SZ1SMA, TPSMB), des capteurs de température (USP16673, RB), des fusibles SMD ou en ligne (438A, 441A, 521, 483A), des réseaux de diodes TVS (AQ05C, AQ24CAN), des fusibles à grande vitesse (PSR, PSX, ESR), des MOSFETs (X3 Class), des pilotes de grille (IXD_6xxSI), des relais de contacteur CC haute tension (DCNxx), des relais de protection contre les arcs électriques (AF0100), des interrupteurs sectionneurs CC (LS7xx, LS6xx), des SPD (lien CC/lien AC) (type SPD 2), des relais de défaut à la terre (SE-601), des modules IGBT (MIXA, MIXG).

Les onduleurs solaires et les systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) sont soumis à de nombreuses normes de sécurité, y compris l'IEC 61683 - Conditionneurs de puissance - procédure de mesure de l'efficacité, qui décrit des lignes directrices pour mesurer l'efficacité des conditionneurs de puissance utilisés dans les systèmes PV autonomes et interactifs avec le réseau. IEC 62109-1 - Sécurité des convertisseurs de puissance pour utilisation dans les systèmes photovoltaïques - Partie 1 : Exigences générales. Cette partie de l'IEC 62109 s'applique aux équipements de conversion de puissance (PCE) utilisés dans les systèmes PV qui nécessitent des niveaux de sécurité uniformes. Cette norme spécifie les exigences minimales pour la conception et la fabrication des PCE afin de se protéger contre les dangers tels que le feu, l'énergie, le choc électrique, les risques mécaniques et autres. IEC 62109-2 - Sécurité des convertisseurs de puissance pour utilisation dans les systèmes photovoltaïques - Partie 2 : Exigences particulières pour les onduleurs. La partie 2 de l'IEC 62109 couvre des exigences spécifiques de sécurité pour les produits onduleurs DC-AC utilisés dans les systèmes PV. Ces trois normes s'appliquent mondialement.

UL 1741 - Onduleurs, convertisseurs, contrôleurs, et équipements de systèmes d'interconnexion pour utilisation avec des ressources énergétiques distribuées. Ces exigences couvrent les onduleurs, convertisseurs, contrôleurs de charge, et équipements de systèmes d'interconnexion (ISE) pour des systèmes d'alimentation autonomes ou connectés au réseau. UL 9540A - Norme pour la méthode d'essai permettant d'évaluer la propagation d'un incendie dû à une échappée thermique dans les systèmes de stockage d'énergie par batterie. Ce document évalue les caractéristiques d'incendie des systèmes de stockage d'énergie par batterie subissant une échappée thermique. Ces deux normes s'appliquent à l'Amérique du Nord.

EN 50524 - Fiches techniques et plaques signalétiques pour onduleurs PV. Ce document vise à fournir des informations essentielles pour configurer des systèmes d'onduleurs PV sûrs et optimaux. EN 50530 - Rendement global des onduleurs PV. Cette norme fournit une procédure pour mesurer la précision du suivi du point de puissance maximal (MPPT) des onduleurs utilisés dans les systèmes PV connectés au réseau. Ces deux normes s'appliquent à l'Europe.

Les fusibles à semi-conducteur à corps carré à haute vitesse PSR peuvent augmenter la capacité des BESS, réduisant ainsi les coûts d'exploitation des services publics et permettant une dépendance plus longue aux systèmes de stockage d'énergie par batterie pour répondre à la demande de puissance de pointe. Pour y parvenir, les intégrateurs peuvent ajouter plus de banques de batteries à leurs BESS ou passer des solutions de batteries à flux aux batteries au lithium-ion à plus grande capacité.

Cependant, la densité de puissance plus élevée dans les nouveaux BESS peut entraîner des courants de défaut plus importants. À des niveaux de puissance élevés, un défaut peut causer des dommages catastrophiques ou même des blessures corporelles. Les BESS nécessitent des niveaux de protection de circuit plus élevés, posant des défis de conception. Si des fusibles ayant des capacités de coupure de courant de court-circuit plus élevées que ceux actuellement utilisés dans les BESS peuvent être trouvés, davantage de bancs de batteries peuvent être ajoutés aux BESS. De plus, pour protéger les composants électroniques sensibles utilisés dans les convertisseurs de puissance BESS, les fusibles doivent être capables d'une interruption rapide.

La série PSR de Littelfuse de fusibles à semi-conducteurs à corps carré haute vitesse offre les cotes de courant de court-circuit les plus élevées : 150 kA DC et 200 kA AC pour l'interruption. Des cotes plus élevées peuvent également réduire le nombre de boîtes de combinateurs, diminuant ainsi les coûts et la complexité de conception. Les fusibles de la série PSR agissent plus rapidement et ont des cotes d'interruption de courant de court-circuit plus élevées. D'autres avantages des fusibles de la série PSR incluent des facteurs de forme flexibles et des options d'installation. La série de fusibles PSR peut remplacer directement les fusibles de type bloc couramment utilisés, évitant ainsi le coût des changements de conception majeurs. Pour adapter les fusibles PSR intégrés aux configurations de montage sur barres omnibus parallèles, le design en L de Littelfuse peut être utilisé.

En utilisant les fusibles de la série PSR de Littelfuse, le nombre de combinateurs par conteneur peut être réduit d'un, et deux unités de batterie supplémentaires peuvent être ajoutées. Cela augmente la capacité du conteneur BESS actuel de 7 %, permettant aux services publics de se fier aux systèmes de stockage d'énergie par batterie pendant de plus longues périodes lors des pics de demande en énergie et de réduire les coûts d'exploitation.

L'intégration des onduleurs solaires et des systèmes de stockage d'énergie par batterie améliore non seulement l'efficacité d'utilisation de l'énergie, mais apporte également de nouvelles opportunités pour la gestion de l'énergie distribuée, la stabilité du réseau et l'autonomie énergétique. Avec les avancées continues en électronique de puissance, systèmes de gestion de batterie (BMS), protocoles de communication et intelligence artificielle, les solutions futures tendront vers une efficacité accrue, une plus grande intelligence et une modularité. Les solutions d'onduleurs solaires et BESS de Littelfuse introduites dans cet article peuvent aider les clients à construire des systèmes solaires et de stockage intégrés très fiables, performants et rentables, contribuant ainsi à la vision durable de l'énergie verte.