Les onduleurs : obtenir la tension correcte
Les sources renouvelables doivent fournir une énergie de haute qualité pour pouvoir remplacer celles qui sont issues de combustibles fossiles.
Une transition en douceur et, dans l’idéal, sans heurts, des énergies fossiles aux énergies renouvelables est nécessaire, et ce, en toute transparence pour les utilisateurs finaux. Les deux types d’énergie doivent pouvoir coexister.
Qualité de l’alimentation électrique et efficacité énergétique
Les générateurs alimentés par des sources d’énergie renouvelable doivent fournir de l’énergie dont la tension et la fréquence sont adaptées à l’alimentation du réseau. Les sources d’énergie renouvelables qui approvisionnent aujourd’hui les réseaux présentent des difficultés bien connues : la tension de sortie continue des cellules photovoltaïques est très faible, tandis que celle d’une éolienne peut présenter des variations de fréquence et des courants harmoniques.
Ces sources brutes doivent être converties en électricité de qualité adaptée au réseau avec la meilleure efficacité possible, tout en respectant l’ensemble des normes applicables aux équipements connectés au réseau. De leur côté, les services publics qui fournissent l’électricité doivent satisfaire aux codes de réseau définis par l’autorité d’exploitation concernée, par exemple l’opérateur du réseau national.
La topologie du système de conditionnement de l’énergie a un effet significatif sur l’efficacité énergétique et sur le respect des codes de réseau.
Conditionnement de l’énergie solaire
D’un petit système domestique à une grande ferme solaire de plusieurs mégawatts, la taille d’une installation de panneaux photovoltaïques est très variable. Le conditionnement de la tension de sortie continue du panneau photovoltaïque – notamment le suivi de point de puissance – peut être mis en œuvre sous la forme d’un onduleurCC/CC autonome ou d’une partie intégrante de l’onduleur qui gère la transition du CC au CA adapté au raccordement au réseau. L’onduleur peut être mis en œuvre sous la forme d’un micro-onduleur au niveau d’un ou de plusieurs panneaux alimentant un onduleur de branche. Une autre possibilité est d’opter pour un onduleur central.
La solution optimale dépend de facteurs tels que la puissance nominale, le coût visé et d’éventuelles prévisions d’extension de l’installation. Les micro-onduleurs permettent une extension facile, bien que devoir investir dans un onduleur pour chaque panneau puisse s’avérer relativement coûteux. Un onduleur centralisé, en revanche, représente un point de défaillance unique au sein du système et la transmission du courant continu à travers l’installation entraîne des risques d’incendie et de sécurité.
Évolution des topologies de réseaux d’énergie éolienne
Parmi les topologies les plus couramment utilisées avec les éoliennes, citons les convertisseurs complets et les générateurs à double alimentation. Ces derniers sont largement utilisés dans les installations terrestres. Le stator du générateur est alors directement raccordé au réseau et son rotor est connecté par le biais d’un réseau convertisseur/onduleur. Avec cette configuration, la fréquence de sortie du générateur correspond à celle du réseau. En outre, seul un tiers environ de la puissance générée passe par le convertisseur/onduleur, ce qui garantit de faibles pertes d’énergie et permet de réduire la taille et le coût de l’équipement. Ces générateurs conviennent aux installations d’une puissance maximale de 6 MW environ.
Dans le cas du convertisseur complet, le générateur est complètement découplé du réseau à l’aide d’un convertisseur/onduleur qui transporte la totalité de l’énergie produite. L’un des principaux avantages de cette approche est la protection du générateur contre les perturbations du réseau. Ce système répond aux exigences les plus récentes en matière de tolérance aux pannes, telles que l'alimentation continue à basse/haute tension (LVRT, HVRT)
Ces systèmes nécessitent que le générateur reste connecté pendant les perturbations qui sont causées par la connexion et la déconnexion de charges importantes et qui entraînent d’importantes fluctuations de la tension du réseau. Il convient aux applications d’une puissance allant jusqu’à environ 10 MW.
Autrefois, les éoliennes pouvaient se déconnecter du réseau pendant de tels événements et tenter de se reconnecter ultérieurement. Alors que l’approvisionnement en énergie devient de plus en plus dépendant de l’éolien, cette situation n’est pas souhaitable et pourrait entraîner des pannes de courant. Il faut s’attendre à ce que les systèmes de convertisseur complet, capables de répondre aux dernières exigences LVRT/HVRT, soient largement déployés pour l’énergie éolienne, aussi bien pour les installations terrestres qu’offshore.
Le SiC et le GaN procurent efficacité et robustesse
Outre la topologie idéale, l’efficacité du système est également une question essentielle. La disponibilité commerciale de semi-conducteurs de puissance à large bande interdite, tels que :
- les MOSFET à tranchée en carbure de silicium (SiC) CoolSiC d’Infineon
- les modules LMG341xR050 au nitrure de gallium (GaN) de Texas Instruments
confère plus de liberté aux concepteurs dans leur recherche en vue d’améliorer l’efficacité et d’augmenter la densité de puissance.
Les MOSFET CoolSiC d’Infineon comprennent des dispositifs tolérant jusqu’à 1200 V qui permettent une fréquence de commutation élevée et présentent une grande insensibilité aux allumages parasites. Les circuits intégrés de commande de grille EiceDRIVER d’Infineon simplifient la génération des signaux de commutation asymétriques que ces dispositifs requièrent.
Des modules qui simplifient la conception avec le SiC et le GaN
Il existe des modules qui combinent des MOSFET au SiC avec des diodes à barrière de Schottky au SiC dans diverses configurations, par exemple les modules CoolSiC d’Infineon et les modules demi-pontde Rohm Semiconductor.
Ils simplifient la conception et réduisent considérablement les pertes de commutation par rapport aux modules IGBT en silicium possédant des valeurs nominales comparables.
Le LMG341xR050 de Texas Instruments est un étage de puissance en GaN intégré qui combine un MOSFET de 600 V, un circuit de commande et des fonctions de protection dans un seul module, ce qui simplifie la conception du circuit et réduit les problèmes d’agencement. Contrairement aux MOSFET classiques, les dispositifs GaN n’ont pas de diode de corps en interne, ce qui réduit considérablement les pertes d’énergie durant la conduction inverse. En outre, les faibles capacités électriques d’entrée et de sortie améliorent les performances de commutation, tandis que les faibles perturbations électromagnétiques constituent un autre avantage de cette technologie.
Résumé
La production d’électricité utilisable à partir de sources renouvelables dépend essentiellement de l’obtention de la bonne tension, et ce, de la manière la plus efficace possible, tout en respectant les normes établies en matière de qualité de l’énergie et de performances des équipements raccordés au réseau. Ces normes évoluent au fil de la révolution des énergies renouvelables et les ingénieurs se doivent d’actualiser leurs connaissances sur les dernières exigences et les technologies disponibles pour y répondre.
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