Intégration solaire : bases des onduleurs et des services de réseau

QU'EST-CE QUE LES ONDULEURS ?

Un onduleur est l'un des équipements les plus importants d'un système d'énergie solaire. C'est un appareil qui convertit l'électricité en courant continu (DC), qui est ce que génère un panneau solaire, en électricité en courant alternatif (AC), qui est utilisée par le réseau électrique. En courant continu, l'électricité est maintenue à tension constante dans un sens. En courant alternatif, l'électricité circule dans les deux sens dans le circuit lorsque la tension passe du positif au négatif. Les onduleurs ne sont qu'un exemple d'une classe d'appareils appelésélectronique de puissance that regulate the flow of electrical power.

Fondamentalement, un onduleur accomplit la conversion CC-CA en commutant très rapidement la direction d'une entrée CC d'avant en arrière. Par conséquent, une entrée DC devient une sortie AC. De plus, des filtres et d'autres composants électroniques peuvent être utilisés pour produire une tension qui varie sous la forme d'une onde sinusoïdale propre et répétitive qui peut être injectée dans le réseau électrique. L'onde sinusoïdale est une forme ou un modèle que la tension crée au fil du temps, et c'est le modèle de puissance que le réseau peut utiliser sans endommager l'équipement électrique, qui est conçu pour fonctionner à certaines fréquences et tensions.

Les premiers onduleurs ont été créés au 19ème siècle et étaient mécaniques. Un moteur tournant, par exemple, serait utilisé pour changer continuellement si la source CC était connectée vers l'avant ou vers l'arrière. Aujourd'hui, nous fabriquons des interrupteurs électriques à partir de transistors, des dispositifs à semi-conducteurs sans pièces mobiles. Les transistors sont constitués de matériaux semi-conducteurs comme le silicium ou l'arséniure de gallium. Ils contrôlent le flux d'électricité en réponse à des signaux électriques extérieurs.

Si vous avez un système solaire domestique, votre onduleur remplit probablement plusieurs fonctions. En plus de convertir votre énergie solaire en courant alternatif, il peut surveiller le système et fournir un portail de communication avec les réseaux informatiques. Les systèmes de stockage de batterie Solar-plus s'appuient sur des onduleurs avancés pour fonctionner sans aucune aide du réseau en cas de panne, s'ils sont conçus pour le faire.

VERS UN RÉSEAU À BASE D'ONDULEURS

Historiquement, l'énergie électrique a été principalement générée en brûlant un combustible et en créant de la vapeur, qui fait ensuite tourner un générateur à turbine, qui crée de l'électricité. Le mouvement de ces générateurs produit du courant alternatif lorsque l'appareil tourne, ce qui définit également la fréquence ou le nombre de répétitions de l'onde sinusoïdale. La fréquence du réseau est un indicateur important pour surveiller la santé du réseau électrique. Par exemple, s'il y a trop de charge, trop d'appareils consommant de l'énergie, l'énergie est retirée du réseau plus rapidement qu'elle ne peut être fournie. En conséquence, les turbines ralentiront et la fréquence du courant alternatif diminuera. Parce que les turbines sont des objets en rotation massifs, elles résistent aux changements de fréquence tout comme tous les objets résistent aux changements de leur mouvement, une propriété connue sous le nom d'inertie.

À mesure que de plus en plus de systèmes solaires sont ajoutés au réseau, plus d'onduleurs sont connectés au réseau que jamais auparavant. La production à base d'onduleurs peut produire de l'énergie à n'importe quelle fréquence et n'a pas les mêmes propriétés d'inertie que la production à vapeur, car il n'y a pas de turbine impliquée. Par conséquent, la transition vers un réseau électrique avec plus d'onduleurs nécessite la construction d'onduleurs plus intelligents qui peuvent répondre aux changements de fréquence et autres perturbations qui se produisent pendant les opérations du réseau, et aider à stabiliser le réseau contre ces perturbations.

SERVICES DE RÉSEAU ET ONDULEURS

Les opérateurs de réseau gèrent l'offre et la demande d'électricité sur le système électrique en fournissant une gamme de services de réseau. Les services de réseau sont des activités que les opérateurs de réseau effectuent pour maintenir l'équilibre à l'échelle du système et mieux gérer la transmission de l'électricité.

Lorsque le réseau cesse de se comporter comme prévu, comme lorsqu'il y a des écarts de tension ou de fréquence, les onduleurs intelligents peuvent réagir de différentes manières. En général, la norme pour les petits onduleurs, tels que ceux attachés à un système solaire domestique, est de rester allumé pendant ou de « passer à travers » de petites perturbations de tension ou de fréquence, et si la perturbation dure longtemps ou est plus gros que la normale, ils se déconnecteront du réseau et s'arrêteront. La réponse en fréquence est particulièrement importante car une baisse de fréquence est associée à la mise hors ligne inattendue de la production. En réponse à un changement de fréquence, les onduleurs sont configurés pour modifier leur puissance de sortie afin de rétablir la fréquence standard. Les ressources basées sur des onduleurs peuvent également répondre aux signaux d'un opérateur pour modifier leur puissance de sortie lorsque l'offre et la demande sur le système électrique fluctuent, un service de réseau connu sous le nom de contrôle automatique de la production. Afin de fournir des services de réseau, les onduleurs doivent disposer de sources d'énergie qu'ils peuvent contrôler. Il peut s'agir soit de génération, comme un panneau solaire qui produit actuellement de l'électricité, soit de stockage, comme un système de batterie qui peut être utilisé pour fournir de l'énergie qui était auparavant stockée.

Un autre service de réseau que certains onduleurs avancés peuvent fournir est la formation de réseau. Les onduleurs formant un réseau peuvent démarrer un réseau s'il tombe en panne - un processus connu sous le nom de démarrage noir. Les onduleurs traditionnels « suivant le réseau » nécessitent un signal extérieur du réseau électrique pour déterminer quand la commutation se produira afin de produire une onde sinusoïdale qui peut être injectée dans le réseau électrique. Dans ces systèmes, la puissance du réseau fournit un signal que l'onduleur essaie de faire correspondre. Des onduleurs de formation de réseau plus avancés peuvent générer eux-mêmes le signal. Par exemple, un réseau de petits panneaux solaires peut désigner l'un de ses onduleurs pour fonctionner en mode de formation de réseau tandis que les autres suivent son exemple, comme des partenaires de danse, formant un réseau stable sans aucune génération à base de turbine.

La puissance réactive est l'un des services de réseau les plus importants que les onduleurs peuvent fournir. Sur le réseau, la tension - la force qui pousse la charge électrique - est toujours en train d'aller et venir, tout comme le courant - le mouvement de la charge électrique. La puissance électrique est maximisée lorsque la tension et le courant sont synchronisés. Cependant, il peut y avoir des moments où la tension et le courant ont des retards entre leurs deux schémas alternatifs, comme lorsqu'un moteur tourne. S'ils ne sont pas synchronisés, une partie de la puissance circulant dans le circuit ne peut pas être absorbée par les appareils connectés, ce qui entraîne une perte d'efficacité. Plus de puissance totale sera nécessaire pour créer la même quantité de puissance « réelle » la puissance que les charges peuvent absorber. Pour contrer cela, les services publics fournissent de l'énergie réactive, ce qui synchronise la tension et le courant et facilite la consommation d'électricité. Cette puissance réactive n'est pas utilisée elle-même, mais rend plutôt utile une autre puissance. Les onduleurs modernes peuvent à la fois fournir et absorber de la puissance réactive pour aider les réseaux à équilibrer cette ressource importante. De plus, comme la puissance réactive est difficile à transporter sur de longues distances, les ressources énergétiques distribuées telles que l'énergie solaire sur les toits sont des sources de puissance réactive particulièrement utiles.

TYPES D'ONDULEURS

Il existe plusieurs types d'onduleurs qui peuvent être installés dans le cadre d'un système solaire. Dans une usine de services publics à grande échelle ou un projet solaire communautaire à moyenne échelle, chaque panneau solaire peut être attaché à un seulonduleur central. Chaîne inverters connect a set of panels—a string—to one inverter. That inverter converts the power produced by the entire string to AC. Although cost-effective, this setup results in reduced power production on the string if any individual panel experiences issues, such as shading. Micro-onduleurs are smaller inverters placed on every panel. With a microinverter, shading or damage to one panel will not affect the power that can be drawn from the others, but microinverters can be more expensive. Both types of inverters might be assisted by a system that controls how the solar system interacts with attached battery storage. Solar can charge the battery directly over DC or after a conversion to AC.