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AC/DC dans le PV : Onduleurs et conversion électrique

Introduction : Quel rapport entre AC/DC et les installations solaires ?

Quel est le lien entre le légendaire groupe de rock AC/DC et les installations solaires ? Le nom du groupe devait symboliser la puissance brute et les performances électrisantes – tout comme le courant alternatif (Alternating Current) énergique et la force brute du courant continu (Direct Current) qui circulent dans les installations solaires.

Pour gérer ces courants « bruts », on utilise l'électronique de puissance. Cet article explique le fonctionnement des onduleurs et pourquoi le choix entre systèmes monophasés et triphasés est important.

Courant continu contre courant alternatif

Le problème des installations solaires : les cellules solaires produisent du courant continu (DC), mais les appareils domestiques nécessitent du courant alternatif (AC) à 50 Hz. De plus, les batteries de stockage utilisent également du courant continu.

Qu'est-ce qui distingue ces deux types de courant ?

Courant continu (DC) :

• Le courant circule constamment dans une seule direction
• Comme un bateau naviguant uniquement vers l'amont
• Exemples : batteries, cellules solaires, appareils USB

Courant alternatif (AC) :

• La direction du courant change constamment (50 fois par seconde à 50 Hz)
• Comme un bateau qui navigue alternativement vers l'amont et l'aval
• Standard du réseau électrique européen

L'onduleur : Le cœur de la conversion

Principe de fonctionnement

L'onduleur transforme le courant continu des modules solaires en courant alternatif conforme au réseau. Cela se fait par des commutateurs électroniques (IGBTs ou MOSFETs) qui activent et désactivent rapidement le courant continu :

1. Entrée DC : Courant continu provenant des modules
2. Hachage : Les commutateurs de puissance activent et désactivent très rapidement le DC pendant des durées variables
3. Modulation PWM : Par modulation de largeur d'impulsion, ces « morceaux de courant continu » forment une courbe sinusoïdale
4. Sortie AC : Courant alternatif conforme au réseau à 50 Hz

Fonctions importantes de l'onduleur

• Synchronisation réseau : La fréquence et la phase sont adaptées au réseau – en cas d'écart, l'onduleur se déconnecte
• Protection anti-îlotage : Déconnecte l'installation en cas de panne du réseau pour protéger le personnel de maintenance
• Fenêtre de tension et fréquence : Injection uniquement dans les tolérances admises
• Limitation de puissance : De nombreux réseaux exigent des limitations d'injection (ex. règle des 70 %), implémentées par logiciel

MPPT : Le centre de régulation

Le Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) est souvent intégré à l'onduleur. Sa mission : tirer la puissance maximale possible de l'installation solaire, quelles que soient les conditions de charge ou de météo.

Comment fonctionne le MPPT ?

La puissance électrique est le produit de la tension et du courant : P = U × I

Chaque module solaire possède une courbe caractéristique individuelle, dépendant du courant et de la tension produits. Cette courbe varie selon :

• L'ombrage
• Les variations de température
• Les changements d'ensoleillement

Le MPPT sonde en continu la courbe de puissance. L'algorithme répandu « Perturb and Observe » (Perturber et Observer) fonctionne ainsi :

1. La tension est légèrement augmentée ou diminuée (perturbation)
2. La variation de puissance résultante est mesurée (observation)
3. La puissance a-t-elle augmenté ? → Continuer dans cette direction
4. A-t-elle diminué ? → Changer de direction

Ainsi, le MPPT trouve toujours le point de puissance maximale actuel.

Comprendre le courant triphasé

Les réseaux européens n'utilisent pas un simple courant alternatif, mais le courant triphasé (courant alternatif triphasé). Il s'agit de trois courants alternatifs oscillant de manière régulière avec un décalage temporel de 120°.

Pourquoi le courant triphasé ?

L'efficacité du transport électrique est nettement meilleure :

• Le courant alternatif monophasé nécessite 2 câbles
• Le courant triphasé ne nécessite que 3 câbles pour le triple de puissance

L'astuce : à chaque instant, les trois phases s'équilibrent. Quand l'intensité maximale circule dans un câble, deux courants de moitié circulent dans les deux autres câbles en sens opposé. Ainsi, aucun câble de retour séparé n'est nécessaire.

Niveaux de tension en Allemagne

Onduleur monophasé ou triphasé ?

Le choix entre onduleurs monophasés et triphasés a des implications importantes pour votre installation.

Onduleur monophasé

Avec un onduleur monophasé, le courant continu est converti en une seule phase de courant alternatif. Typique pour les petites et moyennes installations.

Avantages :

• Construction simple : Seulement deux câbles pour l'entrée et la sortie
• Plus économique : Coûts d'acquisition inférieurs grâce à une technique plus simple
• Compatibilité : De nombreux appareils ménagers n'utilisent qu'une phase

Inconvénients :

• Puissance limitée : Généralement adapté aux installations jusqu'à 3–6 kWc
• Charge asymétrique : Des problèmes peuvent survenir avec des courants élevés
• Pas pour les gros consommateurs : Borne de recharge pour voiture électrique ou pompe à chaleur nécessitent souvent du triphasé

Onduleur triphasé

Un onduleur triphasé convertit le courant continu en trois phases symétriques de courant alternatif. Standard pour les grandes installations.

Avantages :

• Puissance plus élevée : Pour les installations à partir de 6 kWc
• Meilleure répartition de charge : Les courants élevés sont répartis sur trois phases
• Injection symétrique : Plus compatible avec le réseau, pas de déséquilibre
• Compatible avec les gros consommateurs : Pompes à chaleur, bornes de recharge, plaques de cuisson

Inconvénients :

• Coûts plus élevés : Construction plus complexe, composants plus chers
• Installation plus complexe : Mesures de sécurité et câblage supplémentaires

Recommandation

Redresseurs et circuits DC

Lorsque le stockage ou le couplage DC est utilisé, les redresseurs reconvertissent le courant alternatif en courant continu. C'est nécessaire quand :

• Une batterie couplée AC est chargée depuis le réseau
• Un excédent de courant réseau doit être stocké temporairement

Ici aussi, des rendements élevés d'environ 96–98 % s'appliquent. Les pertes proviennent principalement :

• Des pertes de commutation dans les semi-conducteurs de puissance
• Du filtrage des harmoniques

Les topologies modernes réduisent ces pertes avec une fréquence de commutation élevée et des filtres optimisés.

Le S de Software signifie Solar

Outre le matériel, le logiciel est essentiel pour le pilotage de l'installation solaire. Le logiciel fait office d'interface entre les modules solaires, la batterie, les compteurs électriques et l'utilisateur.

Fonctions du logiciel d'installation

• Régulation et pilotage : Collaboration étroite avec le MPPT
• Acquisition de données : Saisie et gestion numériques de toutes les mesures
• Transmission de données : Communication entre les composants
• Surveillance : Détection des pannes et baisses de performance
• Calcul des coûts : Prévisions de rendement et amortissement
• Intégration domotique : Connexion à l'automatisation domestique

Conclusion

Suite : Dans l'article suivant Stockage batterie : L'allié des jours nuageux, tout tourne autour du stockage d'énergie – pourquoi il rend les installations solaires vraiment utiles et comment déterminer la bonne taille.

Sources

• Verivox : Différences entre courant AC et DC
• Elektronik-Kompendium : Pourquoi 220 volts ?
• Optivolt : Onduleurs mono- vs triphasés
• Peter Hofmann : Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
• Martin Doppelbauer : Grundlagen der Elektromobilität (Springer, 2020)