TRANSFORMATEUR HAUTE FRÉQUENCE AVEC COMMUTATION TRANSFORMATEUR

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1 RENDEMENT OPTIMAL ET UTILISATION FLEXIBLE TRANSFORMATEUR HAUTE FRÉQUENCE AVEC COMMUTATION TRANSFORMATEUR L'une des nombreuses caractéristiques exigées des onduleurs modernes est une large plage de tension d'entrée et de tension MPP, avec un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de travail de l'onduleur. Pour répondre à ces exigences, Fronius développe sur la majeure partie de ses onduleurs actuels un concept dans lequel est utilisé un transformateur haute fréquence (en abrégé : transfo HF). Ce transfo HF possède également une commutation transformateur, produisant ainsi un rendement élevé constant sur toute la plage de tension d entrée. Ce n'est pas comme on le croit souvent le rendement imal pour une seule tension, mais un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de tension MPP qui, entre autres, fournira un gain annuel élevé. Grâce à leur transfo HF commutable, les onduleurs Fronius IG Plus et Fronius CL offrent un rendement imal dans pratiquement toutes les longueurs de chaîne admissibles. Principes de base sur les onduleurs Il existe fondamentalement trois technologies d'onduleurs différentes. Elles sont décrites ci-dessous : / Onduleur avec un transformateur 50 Hz / Onduleur sans transformateur / Onduleur avec transformateur haute fréquence (HF) Technologie 50 Hz La tension DC existante est transformée via un pont complet (S1...S4) en tension alternative 50 Hz. Elle est ensuite transmise via un transfo 50 Hz puis injectée dans le réseau électrique public. Avantages : / Grande fiabilité grâce au petit nombre de composants mis en œuvre / Sécurité grâce à la séparation galvanique des côtés DC et AC. Inconvénients / Faible rendement en raison des pertes élevées au transformateur. / Poids et volume élevés (p. ex. en raison du transfo 50 Hz). 08/2011 1/7

2 Technologie d'onduleurs sans transformateur La tension continue existante est transformée via un pont complet (S1...S4) en une tension alternative rectangulaire 50 Hz, lissée ensuite par les réducteurs (L1+L2) en une tension alternative sinusoïdale 50 Hz, puis injectée dans le réseau électrique public. Avantages : / Léger et compact en raison de l'absence de transformateur. / Rendement très élevé (p. ex. pas de pertes au transfo). Inconvénients : / Mesures de sécurité supplémentaires nécessaires (interrupteur de protection différentiel). Dans certains pays, pour des raisons de sécurité, il est interdit d'avoir une séparation galvanique entre les côtés DC et AC. / Parafoudre complexe. / Non compatible avec les modules devant être mis à la terre (p. ex. certaines technologies couche mince ou cellules à contact arrière). Technologie HF Cette technologie cumule les avantages des deux technologies précédentes. Le pont complet (S1...S4) génère un signal rectangulaire à haute fréquence de khz, qui est transmis par le transfo HF (Tr1). Le redresseur à pont (D1...D4) retransforme le signal rectangulaire en tension continue, qui est stockée dans le circuit intermédiaire (L1+C2). Un deuxième pont complet (S5...S8) génère alors une tension alternative 50 Hz, lissée ensuite par les réducteurs (L2+L3) en une tension alternative sinusoïdale 50 Hz, puis injectée dans le réseau électrique public. Avantages : / Compact et léger, car le transfo HF est très compact et léger. / Rendement élevé grâce à la réduction des pertes du transformateur. / Sécurité grâce à la séparation galvanique entre les côtés DC et AC. / Adapté à toutes les technologies de modules, car une mise à la terre (positive et négative) est possible. 04/2012 2/7

3 Commutation transformateur En fonction de la tension d'entrée, les courbes de rendement sont les suivantes pour les différentes technologies : Wirkungsgrad 50Hz-Trafo ohne Trafo HF-Trafo ohne Umschaltung HF-Trafo mit Umschaltung DC Spannung Pour l'onduleur avec transfo 50 Hz, il existe toujours un rapport de transmission transfo fixe entre le côté primaire et secondaire (DC et AC). Plus la tension d'entrée sera élevée, plus faible sera le rendement. Cela dépend entre autres du coefficient d'utilisation du transformateur qui baisse avec les tensions élevées, augmentant ainsi les pertes. Avec un onduleur sans transformateur, la tension du générateur solaire doit être plus importante que l'amplitude de la tension de réseau ; en tenant compte des tolérances, le rendement est imal pour une tension d'entrée d'environ 350 V. Celle-ci est le résultat de la tension de réseau à 230 V où le pic de tension est de 325 Volt et des pertes complémentaires de semi-conducteurs d'env. 10 V. Si l'on quitte cette plage de tension, un abaisseur ou un élévateur de tension s'active ; il relève ou abaisse la tension d'entrée à la valeur nécessaire, dégradant ainsi le rendement. Dans le concept de transfo HF avec rapport de transmission transfo fixe, le rendement baisse également avec une tension d'entrée supérieure. Mais en modifiant le rapport de transmission transfo (commutation transformateur) on obtient, en optimisant le coefficient d'utilisation du transfo, plusieurs pointes de rendement et un rendement élevé pratiquement constant sur toute la plage d'entrée. 04/2012 3/7

4 Principes de base de la commutation transfo Dans la pratique, lors de la conception du système, il est rarement possible de sélectionner la plage de la meilleure tension d'entrée de l'onduleur, c'est-à-dire la plage dans laquelle le rendement de conversion est le meilleur selon la fiche technique. Pour des gains optimaux lors de chaque branchement autorisé il est donc impérativement nécessaire que le rendement de conversion soit constamment élevé dans l'ensemble de la plage de travail de l'onduleur. Mode de fonctionnement Le transfo HF possède trois bobines sur le côté primaire (U1, U2 et U3). En fonction de la tension d'entrée, une autre bobine est utilisée pour la transmission, modifiant ainsi le rapport de transmission. Ex. : V = U1, V = U2, V = U3 Pour qu'un rapport optimal soit ainsi constamment garanti, les limites de commutation sont déplacées avec la tension de sortie (p. ex. pour les réseaux US). Tr1 Primärseite U3 U2 U U Sekundärseite On obtient ainsi toujours une tension constante (U) sur le côté secondaire, une minimisation des pertes dues à la transmission et de cette manière un rendement élevé constant sur toute la courbe de tension. Lors de chaque connexion entre deux spires, la puissance est ramenée à zéro pour un bref instant, puis la connexion s'effectue sur la spire suivante et la puissance est ensuite reconnectée. Les pertes de connexion sont ainsi quasiment nulles. Avantages de la commutation transformateur La commutation transformateur entraîne un rendement élevé constant sur toute la plage de tension d'entrée. Ce n'est pas le rendement imal pour une seule tension, mais un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de tension MPP qui, entre autres, fournira un gain annuel élevé. Grâce à leur transfo HF commutable, les onduleurs Fronius IG Plus et Fronius CL offrent un rendement imal dans pratiquement toutes les longueurs de chaîne admissibles. Il n'est donc pas nécessaire de savoir lors de la planification si l'installation doit être conçue pour des tensions élevées ou basses. De même, la variation de la tension en raison de conditions de température variables durant le fonctionnement est compensée par la commutation transformateur. Inconvénients de la commutation transformateur En raison du temps de connexion du relais, une courte pause (200 ms) est nécessaire lors de la commutation sur une autre bobine de transformateur. Lors de cette courte période, la tension d'entrée monte en direction de la tension à vide. Les composants secondaires Fronius ont été développés pour résister à une tension supérieure pendant un bref instant. 04/2012 4/7

5 Détails relatifs à la commutation transformateur Chaque étage de puissance des onduleurs des séries Fronius IG Plus et Fronius CL est équipé d'un transfo HF qui dispose de différents rapports de transmission qui deviennent actifs en fonction de la tension d'entrée. Il existe trois plages différentes avec trois rapports de tension différents. Les onduleurs Fronius avec transfo HF présentant ainsi trois pointes de rendement. Un rendement élevé constant est ainsi obtenu sur toute la plage de tension d'entrée. Cela est très important pour la planification, mais également pour les variations de température durant le fonctionnement de l'installation, car la tension des modules varie en fonction de la température. Exemple module couche mince En raison de la structure spéciale des modules couche mince, ceux-ci ont généralement des courants plus faibles et des tensions de module plus élevées que les modules cristallins. Désormais, pour obtenir des longueurs de chaînes raisonnables ainsi que des combinaisons de modules avec le facteur de forme le plus petit, l'onduleur a besoin d'une large fenêtre de tension d'entrée et de tension MPP avec un rendement de conversion élevé quasiment constant sur toute la plage de travail. En raison des caractéristiques décrites des modules, et en comparaison avec les modules cristallins, on obtient des longueurs de chaîne peu différentes dans la plage de travail d'un onduleur Le graphique suivant montre parfaitement que pour un module couche mince avec une tension à vide et une tension MPP respectivement de 95 et 65 V et une plage de travail de l'onduleur Fronius IG Plus de 230 V à 500 V, trois longueurs de chaîne différentes sont possibles. En raison des coefficients de température des modules et de la plage de température observée de à, on obtient les plages MPP suivantes en fonction de la longueur de chaîne : [%] Eingangsbereich Wechselrichter Maximaler Umwandlungswirkungsgrad Module 5 Module Trafoumschaltung 6 Module MPP-Spannung min 600 UDC U[V] On voit parfaitement qu'en raison du rendement de conversion élevé constant, une conception est possible sur toute la plage de tension MPP et ainsi avec toutes les longueurs de chaîne différentes. 04/2012 5/7

6 Si l'on compare ceci avec les autres concepts d'onduleur, on se rend compte que généralement une seule longueur de chaîne avec rendement imal est possible et que les autres longueurs de chaîne entraînent des pertes de rendement significatives et par conséquent des pertes de gains. Sur un onduleur avec transformateur mais sans commutation transformateur, représenté dans le graphique suivant, le rendement avec tension DC croissante décroît sur toute la plage de tension MPP de l'onduleur. [%] Eingangsbereich Wechselrichter n Module n+1 Module n+2 Module Maximaler Umwandlungswirkungsgrad min MPP-Spannung UDC U[V] On obtient ainsi le rendement imal le plus élevé avec une conception dans la plage de tension MPP inférieure (zone rouge). Un onduleur avec un concept sans transformateur n'a son rendement optimal que pour une tension DC. Pour toutes les tensions DC inférieures ou supérieures, il a besoin d'un élévateur ou d'un abaisseur, ce qui signifie également une perte de rendement (voir graphique suivant). 04/2012 6/7

7 [%] Eingangsbereich Wechselrichter n Module n+1 Module n+2 Module Maximaler Umwandlungswirkungsgrad min MPP-Spannung UDC U[V] La longueur de chaîne optimale est ainsi située dans la plage de tension MPP médiane (zone bleue). L'utilisation des plages de tension MPP supérieure et inférieure entraîne des pertes de gains. Résumé Outre les avantages cités concernant la séparation galvanique et les faibles pertes de transfo, les onduleurs Fronius avec la technologie transfo HF disposent, grâce à la commutation transformateur côté tension d'entrée, un rendement élevé quasi constant sur toute la plage de tension d'entrée. Avec ces onduleurs, outre pour les modules cristallins, vous êtes parfaitement équipés pour répondre aux exigences des modules couche mince et donc pour tous les types de modules. Référence : (sans espace) Mots : Informations : Rédacteur : DI Jürgen Wolfahrt, +43 (664) , wolfahrt.juergen@fronius.com, Froniusplatz 1, 4600 Wels, Autriche. Presse spécialisée : Mag. Andrea Schartner, +43 (664) , schartner.andrea@fronius.com, Froniusplatz 1, 4600 Wels, Autriche. 04/2012 7/7