Généralités et Principe de fonctionnement Les Onduleurs pour Systèmes Photovoltaïques

Un onduleur est un dispositif permettant de transformer en alternatif une énergie électrique de type continue.
Ils sont utilisés en électrotechnique pour :
- Soit fournir des tensions ou courants alternatifs de fréquence et amplitudes variables.
Ex : C’est le cas des onduleurs servant à alimenter des moteurs à courant alternatif devant tourner à vitesse variable par exemple (la vitesse est liée à la fréquence des courants qui traversent la machine).
- Soit fournir une ou des tensions alternatives de fréquence et d’amplitude fixes.
Ex : C’est le cas en particulier des alimentations de sécurité destinées à se substituer au réseau en cas de défaillance de celui-ci par exemple. L’énergie stockée dans les batteries de secours est restituée sous forme continue, l’onduleur est alors nécessaire pour recréer la forme de tension et fréquence du réseau.
On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, en fonction de la source d’entrée continue : source de tension ou source de courant. La technologie des onduleurs de tension est la plus maîtrisée et est présente dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les gammes de puissance (quelques Watts à plusieurs MW).

*  Caractéristiques propres à un onduleur pour systèmes photovoltaïques (PV)
Les onduleurs destinés aux systèmes photovoltaïques sont quelques peu différents des onduleurs classiques utilisés en électrotechnique, mais l’objectif de conversion AC*/DC* est le même.
La principale caractéristique de l’onduleur PV est la recherche du meilleur point de fonctionnement du système.
En effet, le générateur PV (ensemble de modules PV) a une courbe caractéristique IV non linéaire (figure 1).
Pour un éclairement et une température donnés, la tension en circuit ouvert ou à forte charge est à peu prés constante (assimilable à une source de tension), tandis qu’en court-circuit ou à faible charge le courant est pratiquement constant (source de courant).
Le générateur n’est alors ni vraiment une source de tension ni vraiment une source de courant non plus.
La tension de circuit ouvert est sensible à la température et diminue quand la température augmente. Le courant de court-circuit est quant à lui proportionnel à l’éclairement : augmente si l’éclairement augmente.

Figure 1 : Courbes caractéristiques d'un module photovoltaïque

Le meilleur point de fonctionnement du système correspond au point de cette courbe où la puissance, produit de la tension et du courant, est maximisée. Il se situe au milieu de la caractéristique. (figure 1)
En régime permanent établi, la tension et le courant du capteur sont considérés comme constants. L’utilisation d’un onduleur de tension plutôt qu’un onduleur de courant est alors essentiellement motivée par des raisons technologiques.
L’onduleur de tension impose à sa sortie un système de tensions sous forme de créneaux modulés en largeur d’impulsions (MLI* ou PWM* en anglais). Ces créneaux ne posent aucun problème pour l’alimentation d’un moteur, mais sont incompatibles avec les tensions sinusoïdales du réseau.
On place alors entre chaque sortie de l’onduleur et chaque phase du réseau (onduleur monophasé ou triphasé) une inductance qui joue le rôle de filtre et permet à l’onduleur de fournir au réseau des courants quasi sinusoïdaux : d’un point de vue formel elle transforme l’onduleur de tension en onduleur de courant ! (figure 2)

Figure 2 : Filtrage de la tension par l’inductance de sortie (Source [1])

UDC correspond à la tension aux bornes du condensateur d’entrée d’un montage simple (figure 4) et UL1 à la tension injectée au réseau donc de fréquence 50 Hz.

Détails technologiques
* .- Principaux types d’onduleurs rencontrés

Les onduleurs sont des structures en pont constituées le plus souvent d’interrupteurs électroniques comme des IGBT (transistors de puissance).
Dans le cas standard, par un jeu de commutation commandée de manière appropriée, le plus souvent par MLI*, l’énergie électrique continue fournie est modulée afin d’obtenir un signal alternatif à la fréquence du réseau.
Il existe de nombreux circuits électroniques qui permettent de réaliser conversion d’énergie électrique :
• Le montage le plus simple est composé de thyristors. Cette technologie était utilisée dans les premiers onduleurs PV (et est encore disponible en monophasé et triphasé)
Peu cher, il présente cependant un courant de sortie plus ou moins rectangulaire induisant de la puissance réactive et des harmoniques* qui affectent le rendement de l’onduleur et peuvent perturber le réseau.

Figure 3 : Circuit utilisant des thyristors (source : ISET [2])

• La figure 4 présente un exemple de circuit simple composé d’un pont de transistors commandé par PWM*. Le signal alternatif obtenu est ensuite filtré par l’inductance Ld située avant le transformateur* (ou Lac sur les autres schémas) afin d’obtenir un signal alternatif sinusoïdal à la fréquence du réseau.
Ce dernier signal est ensuite ajusté à la tension du réseau par un transformateur* 50Hz qui apporte en même temps une isolation galvanique* au montage.

Figure 4 :Circuit simple utilisant un pont de transistors 

• Pour travailler sur une gamme de tensions d’entrée plus large, un convertisseur élévateur (« boost ») peut être rajouté (en vert) en entrée du pont (figure 5).

Figure 5 : Circuit à pont de transistors avec convertisseur élévateur

• Le montage de la figure 6 comprend 3 étages différents. Il est composé d’un transformateur* haute fréquence (en bleu) qui adapte la tension d’entrée tout en réduisant le poids de l’onduleur. À sa sortie, le signal est alternatif. Un redresseur (en vert) permet alors de le convertir en continu. Le pont de sortie (rouge) permet par modulation d’amplitude de transformer ce signal continu en un signal alternatif sinusoïdal adapté à la fréquence du réseau.

Figure 6 : Circuit à 3 étages avec transformateur* haute fréquence 

• Le montage de la figure 7 est constitué de 4 étages. Ce circuit nécessite le contrôle de 7 interrupteurs contre 8 pour celui de la figure 6.
Il est composé d’un convertisseur abaisseur de tension, d’un montage dit « pushpull* » suivi d’un redresseur, et d’un pont de sortie.

La partie « convertisseur abaisseur + transformateur* push pull* » permet d’adapter la tension d’entrée. Elle permet à l’onduleur d’avoir une plus large gamme de tensions d’entrée possible donc une plus grande flexibilité d’association avec les modules PV. Le redresseur « redresse » la tension en sortie du push pull*, et le pont de sortie (rouge) permet par modulation d’amplitude de transformer ce signal continu en un signal alternatif sinusoïdal adapté à la fréquence du réseau.

Figure 7 : Circuit à 4 étages avec montage push pull* 

• Enfin, le montage de la figure 8 représente un exemple simple de la technologie des onduleurs sans transformateur*. En éliminant le transformateur*, générateur de pertes importantes dans le circuit lors de la conversion de puissance, on peut augmenter le rendement.
Il faut cependant prendre en compte les problèmes de compatibilité électromagnétique* que le transformateur* permettait d’éliminer par isolation galvanique*.
Dans ce circuit, S1 (pour les courants positifs et négatifs) et S2 (pour les courants positifs) sont commandés en haute fréquence et les autres interrupteurs en 50Hz (fréquence du réseau). Pour des tensions d’entrée plus grandes, S1 peut être contrôlé seul en haute fréquence et les 4 autres en 50Hz pour former un convertisseur abaisseur et un convertisseur push pull*.
Dans les 2 cas, le désavantage de ce montage est la très forte tension appliquée aux bornes des interrupteurs.

Figure 8 : Onduleur sans transformateur* dit « à Topologie de Karschny »

* Rôle du condensateur d’entrée

• Tous les circuits présentés disposent en entrée d’un condensateur référencé C1 de forte capacité, qui a un rôle très important pour les onduleurs photovoltaïques dans le maintien d’un point de fonctionnement stable.
Il a une fonction d’accumulateur d’énergie et une fonction de filtrage des fluctuations de tension dues aux commutations. Il assure ainsi un écoulement homogène du courant du générateur PV vers le réseau en maintenant la tension constante.
• Les condensateurs électrolytiques (électrochimiques) aluminium (figure 9) sont utilisés dans des applications en courant continu ou à très basses fréquences et sont ceux généralement rencontrés dans les systèmes PV. Ils présentent des valeurs de capacités importantes et une faible résistance série.