Électronique de puissance : Onduleurs et convertisseurs DC-DC
Introduction : Le défi de la conversion électrique
Les modules solaires sont montés, la batterie est prête, le soleil brille. La base d'une installation solaire est en place. Mais il manque un composant essentiel : l'onduleur et ses multiples fonctions.
Le défi des installations solaires :
- Les cellules solaires produisent du courant continu (DC)
- Les appareils domestiques nécessitent du courant alternatif (AC)
- Les batteries stockent à nouveau du courant continu (DC)
Pour résoudre ce problème, on utilise l'électronique de puissance. Cet article explique le fonctionnement des différents composants.
Vue d'ensemble : Les composants de l'électronique de puissance
Que ce soit dans la technique solaire ou dans tous les appareils modernes, rien ne fonctionne sans électronique de puissance. Pour les installations solaires et les batteries, différents composants sont utilisés, chacun assumant des tâches spécifiques dans la conversion électrique :
| Composant | Fonction |
|---|---|
| Onduleur | DC → AC (Continu vers Alternatif) |
| Redresseur | AC → DC (Alternatif vers Continu) |
| Convertisseur élévateur | Basse tension DC → Haute tension DC |
| Convertisseur abaisseur | Haute tension DC → Basse tension DC |
| BMS | Système de gestion de batterie |
Unidirectionnel et bidirectionnel
Ces composants peuvent être unidirectionnels (dans une seule direction) ou bidirectionnels (dans les deux sens) :
- Unidirectionnel : Conversion uniquement dans un sens
- Bidirectionnel : Les deux directions sont possibles (important pour le stockage batterie !)
L'onduleur : Le cœur de l'installation solaire
Les onduleurs convertissent le courant continu des modules solaires en courant alternatif. Cela se fait par des interrupteurs commandés électroniquement, appelés commutateurs de puissance.
Principe de fonctionnement : Le « hachage »
- Le courant continu est activé et désactivé très rapidement
- Des durées de commutation variables créent un motif
- La moyenne des « morceaux de courant continu » forme du courant alternatif
- La fréquence standard est de 50 Hz (Europe)
Le résultat est un courant alternatif conforme au réseau, adapté à toutes les applications domestiques.
Fonctions importantes de l'onduleur
Au-delà de la simple conversion électrique, les onduleurs modernes assurent d'autres tâches essentielles pour le fonctionnement sûr et efficace de l'installation solaire :
| Fonction | Description |
|---|---|
| Synchronisation réseau | Fréquence et phase adaptées au réseau |
| Protection anti-îlotage | Déconnexion en cas de panne réseau (protection du personnel) |
| Limitation de puissance | Limitation logicielle (ex. règle des 70 %) |
| Surveillance | Monitoring et diagnostic des pannes |
Rendement
Les onduleurs modernes atteignent un rendement de 96–98 %. Les pertes proviennent de :
- Pertes de commutation dans les semi-conducteurs
- Consommation propre de l'électronique
- Dégagement de chaleur
Le redresseur : L'inverse de l'onduleur
Un redresseur fait l'inverse de l'onduleur : il convertit le courant alternatif en courant continu.
Principe de fonctionnement
Lors du redressement, le courant alternatif est partiellement « coupé » :
- Seules les « crêtes » positives du courant alternatif sont utilisées
- La moyenne donne un courant continu quasi constant
- Une commutation haute fréquence lisse le résultat
Application dans les installations solaires
Les redresseurs sont nécessaires quand :
- Une batterie couplée AC est chargée depuis le réseau
- Un excédent de courant réseau doit être stocké temporairement
Convertisseurs DC-DC : Adapter la tension
Les convertisseurs DC-DC modifient le niveau de tension du courant continu sans le convertir en courant alternatif.
Convertisseur élévateur (Boost-Converter)
Transforme une basse tension en haute tension.
Composition :
- Source basse tension
- Bobine
- Diode
- Commutateur de puissance
- Condensateur
Principe de fonctionnement :
- Interrupteur fermé : Le courant traverse la bobine, le champ magnétique se construit
- Interrupteur ouvert : Le champ magnétique s'effondre, génère du courant
- Charge du condensateur : La tension élevée est stockée dans le condensateur
Ce processus se répète à très haute fréquence pour une tension stable.
Convertisseur abaisseur (Buck-Converter)
Transforme une haute tension en basse tension.
Principe de fonctionnement :
- Interrupteur fermé : Le courant alimente la bobine et le condensateur
- Interrupteur ouvert : Le champ magnétique s'effondre, la polarité change
- Charge alternée : Les changements de polarité constants produisent une tension plus basse
Convertisseur DC-DC bidirectionnel (Buck-Boost)
Combine les deux fonctions – peut élever et abaisser la tension. Important pour :
- Charge de batterie à différents états de charge
- Adaptation à la tension variable des modules solaires
Comprendre les composants de base
Pour mieux comprendre, voici les principaux composants :
Bobine
Un conducteur électrique enroulé qui :
- Génère un champ magnétique lors du passage du courant
- Laisse brièvement le courant continuer lors de l'interruption
Analogie : Comme une roue à eau inertielle qui continue de tourner après l'arrêt de l'eau.
Diode
Laisse passer le courant dans une seule direction. Fonctionne comme un clapet anti-retour.
Condensateur
Stocke l'énergie sous forme de champ électrique. Composé de deux plaques métalliques face à face. Sert de tampon pour une tension stable.
Commutateur de puissance
Interrupteurs électroniques à base de semi-conducteurs :
- Vitesse de commutation extrêmement élevée
- Encombrement réduit
- Commandés par un courant de contrôle
MPPT : Puissance maximale de l'installation solaire
Le Maximum-Power-Point-Tracker (MPPT) est souvent intégré à l'onduleur. Sa mission : obtenir la puissance maximale de l'installation solaire, quelles que soient les conditions météo ou de charge.
Pourquoi est-ce nécessaire ?
La puissance électrique est : P = U × I (Tension × Courant)
Chaque module solaire possède une courbe caractéristique individuelle qui varie selon :
- L'ombrage
- Les variations de température
- Les changements d'ensoleillement
L'algorithme « Perturb and Observe »
- La tension est légèrement augmentée ou diminuée (perturbation)
- La variation de puissance résultante est mesurée (observation)
- La puissance a-t-elle augmenté ? → Continuer dans cette direction
- A-t-elle diminué ? → Changer de direction
Ainsi, le MPPT trouve en continu le point de puissance maximale – même en conditions changeantes.
Système de gestion de batterie (BMS)
Les batteries de stockage modernes possèdent un système de régulation et de surveillance intelligent pour un fonctionnement sûr.
Tâches principales du BMS
Le BMS remplit de nombreuses fonctions indispensables au fonctionnement sûr et durable de la batterie :
| Tâche | Description |
|---|---|
| Surveillance | Tension, courant, température de chaque cellule |
| Équilibrage des cellules | Charge uniforme de toutes les cellules |
| Évaluation de l'état | Calcul du SoC, SoH, SoP |
| Protection | Contre surcharge, surchauffe, court-circuit |
| Communication | Transmission des données aux autres systèmes |
Indicateurs clés de la batterie
Le BMS surveille différents indicateurs qui renseignent sur l'état actuel de la batterie. Ces abréviations standardisées se retrouvent souvent dans les documentations techniques :
| Abréviation | Signification | Question |
|---|---|---|
| SoC | State of Charge | Quel est le niveau de charge de la batterie ? |
| SoH | State of Health | Quel est l'état de santé de la batterie ? |
| SoP | State of Power | Quelle puissance peut-elle fournir ? |
| SoS | State of Safety | À quelle distance de la limite de sécurité ? |
| SoF | State of Function | Quel est le niveau de fonctionnalité ? |
Le BMS surveille ces indicateurs en continu et décide des mesures à prendre pour la poursuite du fonctionnement.
Conclusion
Message cle : L'electronique de puissance est le lien entre les modules solaires, la batterie et le reseau domestique. Les onduleurs convertissent le DC en AC, les redresseurs inversement l'AC en DC. Les convertisseurs DC-DC adaptent les niveaux de tension, le MPPT optimise le rendement et le BMS protege la batterie. Sans ces composants, aucune installation solaire moderne ne serait possible.
Que se passe-t-il lorsque toutes les fonctions sont reunies dans un seul appareil ? Plus d'informations dans l'article Le polyvalent : L'onduleur hybride.
La série complète « Stockage d'énergie pour installations solaires »
- Des cuisses de grenouille aux batteries : Comment fonctionne un stockage d'énergie ? – Fondamentaux
- Lithium vs Plomb : Quelle batterie pour l'installation solaire ? – Comparaison des technologies
- Électronique de puissance : Onduleurs et convertisseurs DC-DC – Vous êtes ici
- Le polyvalent : L'onduleur hybride – Tout en un seul appareil
- AC ou DC ? Topologies système pour installations solaires – Concepts d'installation
Sources
- Peter Hofmann : Hybridfahrzeuge (Springer Vienna, 2010)
- SMA : Connaissances de base sur les onduleurs solaires
- HTW Berlin : Efficacité des onduleurs hybrides
- Elektronik-Kompendium : Fondamentaux