Un onduleur solaire ou un onduleur photovoltaïque est un type de convertisseur électrique qui convertit la sortie à courant continu (DC) variable d’un panneau solaire photovoltaïque (PV) en un courant alternatif (CA) de fréquence utile pouvant être introduit dans un réseau électrique commercial ou utilisé par un réseau électrique local hors réseau. C’est un équilibre critique du système (BOS) – composant dans un système photovoltaïque, permettant l’utilisation d’un équipement à courant alternatif ordinaire. Les onduleurs à énergie solaire ont des fonctions spéciales adaptées à une utilisation avec des panneaux photovoltaïques, y compris le suivi du point de puissance maximale et la protection anti-îlotage.

Classification
Les onduleurs solaires peuvent être classés en trois grands types:

Onduleurs autonomes, utilisés dans des systèmes isolés où l’onduleur tire son énergie CC des batteries chargées par les panneaux photovoltaïques. De nombreux onduleurs autonomes intègrent également des chargeurs de batterie intégrés pour réapprovisionner la batterie depuis une source CA, le cas échéant. Normalement, ceux-ci n’interfèrent en aucune façon avec le réseau de distribution et, en tant que tels, ne sont pas tenus d’avoir une protection anti-îlotage.
Onduleurs réseau, qui correspondent à la phase avec une onde sinusoïdale fournie par le secteur.Les onduleurs réseau sont conçus pour s’éteindre automatiquement en cas de perte d’alimentation, pour des raisons de sécurité. Ils ne fournissent pas d’alimentation de secours lors des pannes de services publics.
Les onduleurs de secours à batterie sont des onduleurs spéciaux conçus pour extraire l’énergie d’une batterie, gérer la charge de la batterie via un chargeur intégré et exporter l’énergie excédentaire vers le réseau électrique public. Ces onduleurs sont capables de fournir de l’énergie en courant alternatif à certaines charges lors d’une interruption de service et doivent être protégés contre les îlots.

Types de périphériques
Onduleur modulaire (micro-onduleur)
Chaque module solaire possède son propre onduleur monophasé, qui peut être intégré dans la boîte de jonction.
Il s’agit d’un convertisseur DC-DC dont le but est de régler la tension de sorte que le module connecté soit exploité dans son point de puissance maximale (MPP).
Cela peut être utile dans les systèmes photovoltaïques, qui consistent en des sous-champs orientés différemment ou ombrés différemment, par exemple, revêtus de panneaux solaires de voitures ou d’aéronefs.

Onduleurs de chaînes (English String Inverter)
Un onduleur principalement monophasé qui alimente en énergie un brin ou quelques brins de modules solaires dans un réseau électrique.

Multi-String Inverters
Onduleur monophasé ou triphasé équipé de plusieurs trackers MPP pour plusieurs chaînes (même différentes) de panneaux solaires.

Onduleurs centraux
Un grand système électrique, souvent sous la forme d’une armoire de commande, mais également en tant que station dans la conception de conteneurs, qui est généralement utilisée à partir d’une puissance de pointe supérieure à 100 kW. La conception modulaire simplifie les réparations nécessaires.

Onduleur hybride
Combinaison d’onduleurs et d’accumulateurs internes ou externes. Cela se traduit par des possibilités d’alimentation sans coupure, ainsi que par l’optimisation de l’autoconsommation en mode alimentation.

Circuit et efficacité
En gros, vous pouvez distinguer deux types d’onduleurs solaires:

Dispositifs avec transformateur
Ici, un transformateur prend en charge l’isolation galvanique entre le côté continu et le côté alternatif.En raison de l’isolation galvanique, le générateur PV peut être mis à la terre dans un seul pôle – il n’y a pas de potentiel CA dans le système. C’est également obligatoire dans certains pays.

Dispositifs sans transformateur
Ici, côté entrée et côté sortie sont connectés électriquement l’un à l’autre. Dans cette conception de circuit, aucun transformateur n’est utilisé, ces appareils ont donc généralement un rendement plus élevé. Le manque d’isolation électrique nécessite toutefois un concept de sécurité électrique différent. En partie, alterner les tensions des modules solaires à la terre, ce qui peut entraîner des pertes et des dégradations des modules à couche mince. Pour accroître l’efficacité et éviter les courants de fuite, des technologies de circuits désignées H5 ou Heric ont été développées.
A l’entrée DC de l’onduleur solaire se trouve généralement un convertisseur d’entrée. Ce convertisseur est souvent un convertisseur élévateur avec un rendement très élevé. Le circuit de sortie doit également avoir un rendement élevé sur une large plage de charge.

Pour optimiser les onduleurs avec transformateurs, l’onduleur assume souvent la fonction du transformateur d’entrée, de sorte que le circuit intermédiaire est éliminé. Cela s’appelle un flux direct ou un convertisseur direct. L’efficacité s’améliore, car un seul convertisseur est nécessaire.Cependant, ces appareils ont une portée plus réduite et une efficacité optimale, ce qui les a relativisés en particulier dans les systèmes avec un avantage de protection partielle.

L’efficacité des onduleurs solaires est comparable à celle de l’euro, qui évalue les cas de charge partielle.

Dans l’industrie solaire, le terme kWp a été utilisé pour désigner la puissance maximale au lieu de kW. Cependant, ceci n’est pas conforme aux règles du Système international d’unités selon lesquelles les désignations d’unité ne sont pas complétées. Voir aussi: Orthographe des caractères unitaires.

Suivi du point de puissance maximum
Les onduleurs solaires utilisent le suivi du point de puissance maximum (MPPT) pour obtenir la puissance maximale possible du générateur photovoltaïque. Les cellules solaires ont une relation complexe entre l’irradiation solaire, la température et la résistance totale qui produisent une efficacité de sortie non linéaire appelée courbe IV. Le système MPPT sert à échantillonner la sortie des cellules et à déterminer une résistance (charge) pour obtenir une puissance maximale dans des conditions environnementales données.

Le facteur de remplissage, plus communément connu sous son abréviation FF, est un paramètre qui, associé à la tension de circuit ouvert (Voc) et au courant de court-circuit (Isc) du panneau, détermine la puissance maximale d’une cellule solaire. Le facteur de remplissage est défini comme le rapport entre la puissance maximale de la cellule solaire et le produit de Voc et Isc.

Il existe trois types principaux d’algorithmes MPPT: la perturbation et l’observation, la conductance incrémentale et la tension constante. Les deux premières méthodes sont souvent appelées méthodes d’alpinisme. ils s’appuient sur la courbe de puissance tracée par rapport à la tension qui monte à gauche du point de puissance maximale et qui tombe à droite.

Opération
Dans certains pays européens, un dispositif de surveillance de réseau avec des dispositifs de commutation associés (ENS) est nécessaire du côté du réseau, qui désactive l’onduleur en cas d’îlotage indésirable. Pour les systèmes avec une puissance installée supérieure à 30 kW, l’ENS peut être supprimé. La surveillance de la fréquence et de la tension est suffisante avec un arrêt de tous les pôles pour une isolation sécurisée du réseau, si elle est désactivée ou échoue.

Il est souvent annoncé avec une grande efficacité de l’onduleur. Dans la plage de charge partielle, il est légèrement inférieur et est donc moyenné puis appelé « efficacité européenne ». Cependant, l’efficacité de l’onduleur ne détermine pas à elle seule l’efficacité globale d’un système photovoltaïque.

Depuis janvier 2009, les systèmes photovoltaïques en Allemagne d’une puissance installée supérieure à 100 kW doivent pouvoir être réduits par l’opérateur de réseau sous la puissance active injectée (§ 6.1 EEG). De plus, il est possible qu’une certaine quantité de puissance réactive soit fournie. En pratique, ces spécifications sont réalisées dynamiquement via un récepteur de contrôle centralisé, qui peut signaler une réduction de puissance active à quatre niveaux ou spécifier un facteur de déviation de 1, par exemple cos φ = 0,95 (inductif). En fournissant une puissance réactive inductive, les surtensions capacitives peuvent être évitées.

À partir de juillet 2011, les systèmes plus petits du réseau basse tension devront offrir des fonctions de contrôle comparables. Des réglementations supplémentaires spécifiques à chaque pays entraînent des goulots d’étranglement et des coûts de production plus élevés. Les contre-concepts tels que la facturation nette poursuivent une approche plus simple et transfèrent le problème à l’opérateur de réseau.

Dans le cas de systèmes plus volumineux, notamment conformes à la directive sur la moyenne tension, des mesures supplémentaires sont nécessaires pour la stabilisation dynamique du réseau, comme la capacité de passage à basse tension. Ces mesures sont destinées à éviter l’arrêt intempestif et simultané de nombreux systèmes présentant une sous-tension locale à court terme, car ils se produisent dans le cadre de courts-circuits ou d’autres erreurs dans les systèmes triphasés.

Les systèmes monophasés ne peuvent alimenter le réseau électrique en Allemagne qu’avec une puissance maximale de 5 kW (puissance continue de 4,6 kW). Cette restriction est la stabilité du réseau et évite les charges déséquilibrées. En plus de la fonction de base de la conversion d’énergie, un onduleur solaire dispose de nombreuses possibilités d’acquisition de données et, dans certains cas, de maintenance à distance.

Fréquence secteur
L’énergie électrique dans le réseau électrique ne peut pas être stockée en grande quantité à court terme. Il est donc toujours nécessaire d’établir un équilibre énergétique entre la production et la consommation. Il s’agit de la fréquence du réseau comme variable de contrôle dans les réseaux électriques alimentés en tension alternative. En Europe, cela correspond à 50,0 Hz. L’écart par rapport à la valeur nominale indique un surplus d’énergie (augmentation de la fréquence réseau) ou un manque d’énergie (fréquence réseau réduite). Afin d’éviter une alimentation excédentaire dans le réseau électrique, les onduleurs doivent donc surveiller en permanence la fréquence du réseau et se déconnecter du réseau lorsque la limite par pays est dépassée (en Allemagne, 50,2 Hz). Dans la mesure où une partie prédominante de l’énergie électrique générée provient de systèmes photovoltaïques en Allemagne, un arrêt brutal de tous les systèmes déclencherait un effet contraire avec cette valeur limite et provoquerait à son tour une instabilité du réseau. Par conséquent, pour les installations de plus de 10 kW, cette limite a ensuite été augmentée à une valeur aléatoire. Les installations plus récentes doivent avoir des gradients de puissance compris entre 50,2 et 51,5 Hz, ce qui réduit ou augmente la puissance d’alimentation en fonction de la fréquence actuelle du réseau et contribue ainsi activement à la stabilisation du réseau.

Opération d’île
Dans les systèmes à fonctionnement isolé, les convertisseurs d’îlot spéciaux permettent d’utiliser des consommateurs conventionnels pour 230 V AC. Le facteur décisif est la puissance maximale fournie.Pour cela, des onduleurs individuels peuvent être connectés en parallèle, mais en fonction de la taille du réseau, mais nécessitent des dispositifs de contrôle supplémentaires pour la coordination avec les autres générateurs et le stockage de l’énergie. Les petits systèmes sont parfois proposés avec des systèmes de batteries intégrés, mais ils ne sont pas synchronisés sur le réseau car leur défaut par d’autres générateurs d’énergie est absent.

Micro-onduleurs solaires
Le micro-onduleur solaire est un onduleur conçu pour fonctionner avec un seul module PV. Le micro-onduleur convertit le courant continu de chaque panneau en courant alternatif. Sa conception permet la connexion parallèle de plusieurs unités indépendantes de manière modulaire.

Les avantages des micro-onduleurs incluent une optimisation de l’alimentation sur un seul panneau, un fonctionnement indépendant de chaque panneau, une installation plug-and-play, une installation et une sécurité incendie améliorées, des coûts réduits avec la conception du système et la minimisation des stocks.

Une étude réalisée en 2011 à l’Université d’État d’Appalachian indique que la configuration individuelle des onduleurs a généré environ 20% d’énergie en plus dans des conditions non ombrées et 27% de plus dans des conditions ombrées. Les deux configurations utilisaient des panneaux solaires identiques.

Onduleurs solaires reliés au réseau
Les onduleurs à réseau solaire sont conçus pour se déconnecter rapidement du réseau si le réseau électrique tombe en panne. Il s’agit d’une exigence NEC qui garantit que, en cas de panne de courant, l’onduleur d’arrêt de réseau s’arrêtera pour éviter que l’énergie qu’il produise ne nuit à des travailleurs de ligne envoyés pour réparer le réseau électrique.

Les onduleurs réseau actuellement disponibles sur le marché utilisent différentes technologies. Les onduleurs peuvent utiliser les nouveaux transformateurs haute fréquence, les transformateurs basse fréquence classiques ou aucun transformateur. Au lieu de convertir directement le courant continu en courant alternatif de 120 ou 240 volts, les transformateurs haute fréquence utilisent un processus informatisé en plusieurs étapes qui consiste à convertir l’alimentation en courant alternatif haute fréquence, puis en tension continue.

Historiquement, on craignait que des systèmes électriques sans transformateur alimentent le réseau public. Les préoccupations proviennent du fait qu’il existe un manque d’isolement galvanique entre les circuits DC et AC, ce qui pourrait permettre le passage de défauts CC dangereux du côté AC.Depuis 2005, le NEC de la NFPA autorise les onduleurs sans transformateur (ou non galvaniquement). Les normes VDE 0126-1-1 et IEC 6210 ont également été modifiées pour permettre et définir les mécanismes de sécurité nécessaires à ces systèmes. Principalement, la détection de courant résiduel ou de masse sert à détecter d’éventuelles défaillances. Des tests d’isolement sont également effectués pour garantir la séparation DC-AC.

De nombreux onduleurs solaires sont conçus pour être connectés à un réseau électrique et ne fonctionneront pas lorsqu’ils ne détectent pas la présence du réseau. Ils contiennent des circuits spéciaux pour correspondre précisément à la tension, à la fréquence et à la phase du réseau.

Onduleurs solaires à pompage
Les convertisseurs solaires avancés de pompage convertissent la tension continue du générateur solaire en tension alternative pour piloter directement les pompes submersibles sans avoir besoin de batteries ou d’autres dispositifs de stockage d’énergie. En utilisant le MPPT (suivi de point à puissance maximale), les onduleurs à pompage solaire régulent la fréquence de sortie pour contrôler la vitesse des pompes afin d’éviter que le moteur de la pompe ne soit endommagé.

Les onduleurs à pompage solaire ont généralement plusieurs ports pour permettre l’entrée d’un courant continu généré par les générateurs photovoltaïques, un port pour permettre la sortie de la tension alternative et un autre port pour l’entrée d’un capteur de niveau d’eau.

Marché
En 2014, l’efficacité de conversion des convertisseurs solaires à la pointe de la technologie atteignait plus de 98%. Alors que les onduleurs à cordes sont utilisés dans les systèmes photovoltaïques résidentiels et commerciaux de taille moyenne, les onduleurs centraux couvrent le grand marché commercial et industriel. La part de marché des onduleurs centraux et des onduleurs à cordes est respectivement de 50% et 48%, ce qui laisse moins de 2% aux micro-onduleurs.

Marché des onduleurs / convertisseurs en 2014

Type	Puissance	Efficacité(a)	Marché part(b)	Remarques
Onduleur de chaîne	jusqu’à 100 kW p (c)	98%	50%	Coût (b) 0,15 € par watt-crête. Facile à remplacer
Onduleur central	au dessus de 100 kW p	98,5%	48%	0,10 € par watt-crête. Grande fiabilité. Souvent vendu avec un contrat de service.
Micro-onduleur	gamme de puissance du module	90% à 95%	1,5%	0,40 € par watt-crête. Facilité de remplacement des préoccupations.
Convertisseur DC / DC Optimiseur de puissance	gamme de puissance du module	98,8%	N / A	0,40 € par watt-crête. Facilité de remplacement des préoccupations. L’onduleur est toujours nécessaire. Environ 0,75 GW P installé en 2013.
Source: données IHS 2014, remarques de Fraunhofer ISE 2014, tirées du rapport Photovoltaics, mis à jour au 8 septembre 2014, p. 35, PDF Notes : a) les meilleurs rendements sont estimés, b) la part de marché et le coût par watt sont estimés, c) kW p = kilowatt-crête