Actuellement, le système de production d'électricité photovoltaïque chinois est principalement un système à courant continu (CC), qui charge l'énergie électrique produite par la batterie solaire, laquelle alimente directement la charge. Par exemple, le système d'éclairage solaire domestique du nord-ouest de la Chine et le système d'alimentation des stations à micro-ondes éloignées du réseau électrique sont tous des systèmes à courant continu. Ce type de système présente une structure simple et un faible coût. Cependant, en raison des différentes tensions CC des charges (12 V, 24 V, 48 V, etc.), la standardisation et la compatibilité du système sont difficiles, notamment pour l'énergie civile, car la plupart des charges CA sont alimentées en CC. L'alimentation photovoltaïque a du mal à pénétrer le marché en tant que produit de base. De plus, la production d'électricité photovoltaïque sera à terme connectée au réseau, ce qui nécessite l'adoption d'un modèle de marché mature. À l'avenir, les systèmes de production d'électricité photovoltaïque à courant alternatif deviendront la norme.
Les exigences du système de production d'énergie photovoltaïque pour l'alimentation électrique par onduleur
Un système de production d'électricité photovoltaïque utilisant le courant alternatif se compose de quatre éléments : un générateur photovoltaïque, un contrôleur de charge et de décharge, une batterie et un onduleur (le système de production d'électricité raccordé au réseau permet généralement d'économiser la batterie). L'onduleur est le composant clé. Le photovoltaïque impose des exigences plus strictes en matière d'onduleurs :
1. Un rendement élevé est requis. En raison du prix élevé actuel des cellules solaires, afin d'optimiser leur utilisation et d'améliorer le rendement du système, il est nécessaire d'améliorer le rendement de l'onduleur.
2. Une fiabilité élevée est requise. Actuellement, les systèmes de production d'électricité photovoltaïque sont principalement utilisés dans des zones reculées, et de nombreuses centrales électriques sont sans surveillance ni maintenance. L'onduleur doit donc disposer d'une structure de circuit adaptée, d'une sélection rigoureuse des composants et de diverses fonctions de protection, telles que la protection contre la polarité de l'entrée CC, la protection contre les courts-circuits de la sortie CA, la surchauffe et la surcharge.
3. La tension d'entrée CC doit présenter une large plage d'adaptation. La tension aux bornes de la batterie variant en fonction de la charge et de l'intensité du rayonnement solaire, bien que la batterie ait un impact important sur sa tension, celle-ci fluctue en fonction de sa capacité restante et de sa résistance interne. En particulier, lorsque la batterie vieillit, sa tension aux bornes varie considérablement. Par exemple, la tension aux bornes d'une batterie de 12 V peut varier de 10 V à 16 V. L'onduleur doit donc fonctionner à une tension CC plus élevée afin de garantir un fonctionnement normal dans la plage de tension d'entrée et la stabilité de la tension de sortie CA.
4. Dans les systèmes de production d'énergie photovoltaïque de moyenne et grande capacité, la sortie de l'onduleur doit être sinusoïdale, avec une distorsion minimale. En effet, dans ces systèmes, l'utilisation d'une onde carrée entraînera davantage d'harmoniques, et des harmoniques plus élevées engendreront des pertes supplémentaires. De nombreux systèmes de production d'énergie photovoltaïque sont équipés d'équipements de communication ou d'instrumentation, qui imposent des exigences plus élevées en matière de qualité du réseau électrique. Lorsque les systèmes de production d'énergie photovoltaïque de moyenne et grande capacité sont raccordés au réseau, l'onduleur doit également produire un courant sinusoïdal afin d'éviter toute pollution avec le réseau public.
L'onduleur convertit le courant continu en courant alternatif. Si la tension continue est faible, elle est amplifiée par un transformateur de courant alternatif afin d'obtenir une tension et une fréquence de courant alternatif standard. Pour les onduleurs de grande capacité, en raison de la tension élevée du bus continu, la sortie CA ne nécessite généralement pas de transformateur pour atteindre 220 V. Pour les onduleurs de moyenne et petite capacité, la tension continue est relativement faible, par exemple 12 V. Pour 24 V, un circuit d'amplification doit être conçu. Les onduleurs de moyenne et petite capacité comprennent généralement des circuits push-pull, des circuits à pont complet et des circuits d'amplification haute fréquence. Les circuits push-pull relient la prise neutre du transformateur d'amplification à l'alimentation positive, et deux tubes de puissance fournissent du courant alternatif en fonctionnement alternatif. Grâce à la connexion des transistors de puissance à la masse commune, les circuits de commande et de commande sont simples. De plus, grâce à une certaine inductance de fuite, le transformateur peut limiter le courant de court-circuit, améliorant ainsi la fiabilité du circuit. L’inconvénient est que l’utilisation du transformateur est faible et que la capacité à piloter des charges inductives est faible.
Le circuit onduleur en pont complet pallie les inconvénients du circuit push-pull. Le transistor de puissance ajuste la largeur d'impulsion de sortie et la valeur effective de la tension alternative de sortie varie en conséquence. Grâce à sa boucle de roue libre, le circuit ne déforme pas la forme d'onde de la tension de sortie, même avec des charges inductives. L'inconvénient de ce circuit est que les transistors de puissance des bras supérieur et inférieur ne partagent pas la masse ; il est donc nécessaire d'utiliser un circuit de commande dédié ou une alimentation isolée. De plus, pour éviter la conduction commune des bras supérieur et inférieur du pont, un circuit doit être conçu pour être mis hors tension puis remis sous tension, ce qui nécessite un temps mort, et sa structure est plus complexe.
La sortie des circuits push-pull et pont complet nécessite l'ajout d'un transformateur élévateur. En raison de leur encombrement important, de leur faible rendement et de leur coût élevé, le développement de l'électronique de puissance et de la microélectronique a nécessité l'utilisation d'une technologie de conversion élévateur haute fréquence pour réaliser l'inverse. Ce circuit permet de réaliser des onduleurs à haute densité de puissance. Le circuit élévateur de l'étage avant de cet onduleur adopte une structure push-pull, mais sa fréquence de fonctionnement est supérieure à 20 kHz. Le transformateur élévateur utilise un noyau magnétique haute fréquence, ce qui lui confère compacité et légèreté. Après l'inversion haute fréquence, le courant est converti en courant alternatif haute fréquence par un transformateur haute fréquence, puis en courant continu haute tension (généralement supérieur à 300 V) par un circuit de filtrage redresseur haute fréquence, puis inversé par un circuit d'onduleur de fréquence.
Grâce à cette structure de circuit, la puissance de l'onduleur est considérablement améliorée, ses pertes à vide sont réduites d'autant et son rendement est amélioré. L'inconvénient de ce circuit est sa complexité et sa fiabilité inférieure à celles des deux circuits précédents.
Circuit de commande du circuit inverseur
Les circuits principaux des onduleurs mentionnés ci-dessus doivent tous être pilotés par un circuit de commande. Il existe généralement deux méthodes de commande : onde carrée et onde positive et faible. Le circuit d'alimentation de l'onduleur à sortie carrée est simple et économique, mais son rendement est faible et ses composantes harmoniques sont importantes. La sortie sinusoïdale est la tendance de développement des onduleurs. Avec le développement de la microélectronique, des microprocesseurs avec fonctions PWM ont également fait leur apparition. Par conséquent, la technologie des onduleurs à sortie sinusoïdale est arrivée à maturité.
1. Les onduleurs à sortie carrée utilisent actuellement principalement des circuits intégrés à modulation de largeur d'impulsion (MLI), tels que les SG 3525 et TL 494. L'expérience a démontré que l'utilisation de circuits intégrés SG3525 et de transistors à effet de champ (FET) de puissance comme composants de commutation permet d'obtenir des onduleurs relativement performants et économiques. Le SG3525 étant capable de piloter directement les FET de puissance et disposant d'une source de référence interne, d'un amplificateur opérationnel et d'une protection contre les sous-tensions, son circuit périphérique est très simple.
2. Le circuit intégré de commande de l'onduleur à sortie sinusoïdale peut être contrôlé par un microprocesseur, tel que le 80 C 196 MC d'INTEL Corporation et de Motorola Company, le MP 16 et le PI C 16 C 73 de MI-CRO CHIP Company. Ces ordinateurs monopuces disposent de plusieurs générateurs PWM et peuvent régler les bras de pont supérieur et supérieur. Pendant le temps mort, utilisez le 80 C 196 MC d'INTEL pour réaliser le circuit de sortie sinusoïdale, puis pour compléter la génération du signal sinusoïdal et détecter la tension de sortie alternative afin de stabiliser la tension.
Sélection des dispositifs de puissance dans le circuit principal de l'onduleur
Le choix des principaux composants de puissance duonduleurest très important. Actuellement, les composants de puissance les plus utilisés comprennent les transistors de puissance Darlington (BJT), les transistors à effet de champ de puissance (MOS-F ET), les transistors à grille isolée (IGB). T) et les thyristors de blocage (GTO), etc., les dispositifs les plus utilisés dans les systèmes basse tension de petite capacité sont les MOS FET, car les MOS FET ont une chute de tension à l'état passant plus faible et une fréquence de commutation plus élevée. La fréquence de commutation des IG BT est généralement utilisée dans les systèmes haute tension et grande capacité. En effet, la résistance à l'état passant des MOS FET augmente avec l'augmentation de la tension, et les IG BT sont dans les systèmes de moyenne capacité occupent un plus grand avantage, tandis que dans les systèmes de très grande capacité (supérieure à 100 kVA), les GTO sont généralement utilisés comme composants de puissance.
Date de publication : 21 octobre 2021
