Télécommunications. Mise en œuvre d'onduleurs pour site isolé SUNNY ISLAND dans des stations de base de téléphonie mobile

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1 Télécommunications Mise en œuvre d'onduleurs pour site isolé SUNNY ISLAND dans des stations de base de téléphonie mobile Sommaire Dans le cadre du développement mondial des réseaux de télécommunications, des stations de base de téléphonie mobile (Base Transceiver Stations, BTS) sont souvent installées également sur des sites isolés (Off-Grid) ou instables (Bad-Grid). En raison de sa flexibilité et de sa solidité, le Sunny Island convient parfaitement à l'alimentation en électricité d'une BTS sur un tel site. Les systèmes de réseaux en îlotage équipés du Sunny Island présentent les caractéristiques suivantes : Alimentation possible de consommateurs AC et DC fonctionnant sur batterie Utilisation en option de générateurs monophasés ou triphasés et du réseau électrique Mise à la terre, au choix, positive ou négative du bus DC Conception flexible du système avec utilisation de différentes sources d'énergies renouvelables Quand est-il judicieux d'utiliser un Sunny Island pour alimenter en électricité une BTS et quels éléments faut-il prendre en compte? Vous trouverez les réponses détaillées à ces questions dans le présent document. SI_SVBTS-TI-UFR Version 1.0 1/10

2 Introduction 1 Introduction L'expansion mondiale des stations de base de téléphonie mobile a lieu, de plus en plus, dans des régions dans lesquelles le réseau électrique subit souvent des coupures relativement longues ou bien dans lesquelles aucun accès au réseau électrique n'est disponible. Pour assurer l'alimentation en électricité d'une ou plusieurs BTS également dans de telles régions, des générateurs diesel sont utilisés. Ces derniers requièrent une maintenance importante et consomment relativement beaucoup de carburant diesel pour une faible utilisation. Les générateurs diesel génèrent donc des dépenses importantes d'exploitation (Operating Expense, OPEX) et les exploitants de réseaux de téléphonie mobile sont confrontés au défi de limiter le coût total de possession (Total Cost of Ownership, TCO). Croissance annuelle du nombre de stations de base de téléphonie mobile de 2007 à 2012 Source : GSMA Analysis Avec l'alimentation en électricité basée sur les onduleurs pour site isolé du type Sunny Island, SMA Solar Technology AG propose une solution pour systèmes hybrides générateur/batterie, qui peuvent être complétés de façon flexible avec des sources d'énergies renouvelables. Et cette solution offre aux exploitants de BTS des possibilités de réduire les dépenses d'exploitation. Comme le Sunny Island a été développé pour l'alimentation en électricité de réseaux en îlotage, sa technique ne repose pas sur les standards traditionnels des télécommunications tels que la baie 19 pouces. Toutefois, toutes les conditions nécessaires à l'alimentation en électricité d'une BTS sont données, par ex. la mise à la terre positive du bus DC, la compatibilité avec des générateurs monophasés ou triphasés ou bien encore la possibilité d'une exploitation du réseau en parallèle. En outre, la gestion de la batterie et du générateur est sophistiquée et le Sunny Island est robuste, et ils prouvent dans le monde entier la possibilité d'une alimentation en électricité de BTS au moyen du Sunny Island. SMA Solar Technology AG 2/10

3 Possibilités d'utilisation du Sunny Island 2 Possibilités d'utilisation du Sunny Island Les onduleurs pour site isolé de la gamme Sunny Island permettent une conversion DC/AC bidirectionnelle et sont donc également qualifiés de combinaison onduleur/chargeur ou d'appareil combiné inverter/charger. Contrairement à une BTS raccordée au réseau, aucun redresseur n'est ainsi requis. Les consommateurs et les producteurs peuvent être raccordés aussi bien du côté AC que du côté DC. La conversion bidirectionnelle assure l'alimentation de consommateurs AC tels que les systèmes à air conditionné ou les installations d'éclairage même en cas de fonctionnement uniquement sur batterie. C'est pourquoi l'utilisation du Sunny Island est d'autant plus avantageuse quand une alimentation en charge AC plus importante est requise en cas de panne de réseau ou bien d'une exploitation en réseau en îlotage. Tous les composants de la BTS peuvent être, comme d'habitude, raccordés du côté DC. Nous recommandons l'utilisation d'un Sunny Island pour alimenter en électricité une BTS également dans les situations exigeant le raccordement de différentes sources d'énergies renouvelables telles que le soleil, le vent ou l'eau ou exigeant une planification flexible de l'installation et une possibilité d'extension modulaire. Si l'alimentation de consommateurs AC n'est toutefois pas requise, il est conseillé d'utiliser un redresseur équipé de contrôleurs de charges traditionnels. De même, il est plus judicieux de créer un système DC purement régénératif en cas de charge totale inférieure à 0,5 kw. 3 Sunny Island pour Bad-Grid ou Off-Grid Le Sunny Island exploité en Bad-Grid ou Off-Grid permet non seulement d'éviter l'utilisation d'un redresseur, mais offre également les avantages d'une gestion intégrée de la batterie et du générateur. La gestion de la batterie assure une durée de vie maximum de la batterie grâce aux charges régulières complètes et d'égalisation. Le délestage des consommateurs en cas de panne du générateur évite la décharge profonde de la batterie. Le temps de fonctionnement du générateur peut être réglé, de façon flexible, en fonction des heures de la journée et de l'état de charge de la batterie (State of Charge, SOC). En cas de pannes récurrentes et prolongées du réseau électrique, il est recommandé d'utiliser des batteries offrant une bonne résistance aux cycles de charge et de décharge. Bien souvent, il est possible de réduire en plus le coût total de possession grâce à l'ajout d'installations photovoltaïques ou d'éoliennes de petite taille en fonction du site. La conception de systèmes monophasés ou triphasés permet d'intégrer différents types de générateurs. Pour chaque phase, il convient d'utiliser un Sunny Island. En outre, le Sunny Island offre la possibilité de raccorder le réseau électrique de la même façon qu'un générateur. L'utilisation parallèle du réseau électrique et d'un générateur ou l'utilisation parallèle de deux générateurs requiert la mise en œuvre d'un dispositif de commutation automatique (Automatic Transfer Switch, ATS). Le Sunny Island est adapté aux réseaux TN. SMA Solar Technology AG 3/10

4 Conception du système et concept de mise à la terre 4 Conception du système et concept de mise à la terre Légende Conducteur de ligne (L) Conducteur de neutre (N) Conducteur de protection (PE) PV petite éolienne Conducteur positif Conducteur négatif Câble de communication Câble de commande Câble de mesure 1 Sunny Boy / Sunny Mini Central Windy Boy Sunny WebBox (en option) USBCOM NETCOM SMACOM MEMORY REPORT SYSTEM POWER Générateur AC2 AC1 Consommateurs AC Signal de départ 2 Barre d'équipotentialité Relay1/2 Com SmaIn Com SynchIn DigIn Com SynchOut Com SmaOut Relay1/2 BatVtgOut = Contacteur DC BatTmp BatCur DC Com SynchIn Consommateurs DC 3 Sonde de courant de la batterie SIC 50 Convertisseur AC/DC Sonde de température de la batterie Batterie PV petite éolienne Remarques sur le concept de mise à la terre N : Explication Si les normes locales en vigueur prescrivent une mise à la terre du générateur photovoltaïque, il faut raccorder le générateur photovoltaïque du côté AC et utiliser un onduleur photovoltaïque isolé galvaniquement et comportant un transformateur. SMA Solar Technology AG 4/10

5 Possibilités de communication N : Explication En cas de raccordement d'un générateur diesel au Sunny Island, la mise à la terre commune du conducteur de neutre et des deux conducteurs de protection est nécessaire. Le raccordement d'une BTS au bus DC d'un système de réseau en îlotage requiert une mise à la terre positive de la batterie. Étant donné que tous les onduleurs pour site isolé de la gamme Sunny Island sont équipés d'un transformateur et offrent donc une isolation galvanique du courant continu et du courant alternatif, la mise à la terre s'effectue sans problème. En cas d'utilisation de contrôleurs de charge tels que le Sunny Island Charger du côté DC ou d'onduleurs photovoltaïques non équipés de transformateurs du côté AC, il convient de noter que la mise à la terre du pôle négatif ou positif du générateur photovoltaïque n'est pas autorisée. Combiner le Sunny Island avec des sources d'énergies renouvelables Le raccordement d'éoliennes de petite taille et d'installations photovoltaïques s'effectue, au choix, par couplage AC ou DC. Les sources d'énergie devraient, si possible, alimenter à proximité des consommateurs et conformément à leur profil de charge, par ex. une installation photovoltaïque servant à l'alimentation en électricité d'un système à air conditionné devrait être couplée du côté AC. Les onduleurs photovoltaïques couplés du côté AC doivent être réglables au moyen de la fréquence. En cas d'utilisation d'onduleurs photovoltaïques de SMA Solar Technology AG, il faut activer le mode de fonctionnement «OFF-Grid». La Smart Load pour le Sunny Island est appropriée pour le raccordement des sources d'énergies renouvelables ne pouvant être réglées. 5 Possibilités de communication Le raccordement d'une Sunny WebBox à l'interface RS485 du Sunny Island permet de recenser toute erreur et de surveiller les paramètres du système, par ex. l'état de santé de la batterie (State of Health, SOH) ou le temps de fonctionnement du générateur. Ces données apportent des informations sur les flux d'énergie et les états de charge des batteries, et permettent d'analyser le comportement du système et d'évaluer le rendement énergétique. Grâce à l'enregistrement de votre installation dans le Sunny Portal, vous disposez de tableaux d'événements supplémentaires ainsi que de différentes représentations graphiques et fonctions de rapport. De même, nous recommandons d'utiliser la Sunny WebBox avec un accès au Sunny Portal afin d'intégrer le système Sunny Island dans un centre d'opérations d'un réseau (Network Operation Center, NOC). De cette façon, vous pouvez surveiller en un coup d'œil via Internet l'état de l'alimentation en électricité de la BTS. La représentation des données dans le Sunny Portal est librement configurable. La Sunny WebBox permet d'utiliser différents modems pour établir une connexion, par ex. via GSM (Global System for Mobile Communications) ou DSL (Digital Subscriber Line). SMA Solar Technology AG 5/10

6 Sélection du Sunny Island Si 2 à 4 Sunny Island sont connectés à un cluster, la Sunny WebBox communique uniquement avec un seul Sunny Island, à savoir le maître du cluster. Un bus interne de communication relie tous les esclaves et jusqu'à 4 Sunny Island Charger couplés du côté DC avec le Sunny Island maître. D'autres produits SMA couplés du côté AC peuvent être reliés via un bus RS Sélection du Sunny Island Pour qu'un système hybride générateur/batterie soit rentable, le générateur diesel doit fonctionner le moins longtemps possible et au moment le plus opportun. C'est pourquoi il convient de prendre avant tout en compte la puissance du générateur lorsque vous choisissez le Sunny Island afin de travailler, pendant le chargement de la batterie, avec une puissance nominale proche de celle du générateur. La puissance permanente des consommateurs AC à alimenter en fonctionnement sur batterie constitue un autre aspect à prendre en compte. Combiner un générateur et le Sunny Island Le tableau suivant vous indique avec quels générateurs Sunny Island peut être judicieusement combiné. Tension DC Type de générateur Puissance du générateur Sunny Island utilisé +24 V Monophasé 1 kva 5 kva 1 x SI ,2 kw +24 V Monophasé 3 kva 8 kva 2 x SI ,4 kw +24 V Triphasé 5 kva 15 kva 3 x SI ,6 kw 48 V / +48 V Monophasé 3 kva 10 kva 1 x SI kw 48 V / +48 V Monophasé 9 kva 20 kva 2 x SI kw 48 V / +48 V Triphasé 5 kva 30 kva 3 x SI kw Puissance permanente AC en fonctionnement sur batterie En fonction de la durée pendant laquelle les consommateurs AC doivent être alimentés et en fonction du temps prévu de fonctionnement du générateur, la conception peut différer des recommandations du tableau. SMA Solar Technology AG 6/10

7 Sélection du Sunny Island Dimensionnement du générateur Si la puissance du générateur est inférieure à la puissance du Sunny Island, vous devez réduire le courant de charge maximum via la configuration d'un paramètre du Sunny Island afin d'éviter une surcharge du générateur. La performance du fonctionnement n'est pas entravée. Toutefois, une part de la puissance disponible du Sunny Island ne sera pas utilisée pour la charge de la batterie. Pour utiliser cette puissance, vous pouvez relier des sources d'énergies renouvelables supplémentaires servant à charger la batterie. Si la puissance de sortie du générateur est supérieure à la puissance d'entrée du Sunny Island, le générateur doit pouvoir adapter sa puissance de sortie à une charge. Le générateur peut donc être beaucoup plus puissant que ceux indiqués dans le tableau ci-dessus. Concernant le rendement, il convient toutefois de noter que la consommation par kilowatt-heure généré augmente très fortement dans le cas de générateurs diesel fonctionnant presque à vide. Le générateur diesel devrait, le plus souvent, servir au chargement de la batterie et, sinon, être éteint. Raccordement des consommateurs DC Les besoins des consommateurs DC à alimenter influencent à peine la performance du fonctionnement du système. Il faut veiller à ce que le temps de fonctionnement du générateur et le nombre de démarrage par jour soient appropriés. Ce temps et ce nombre peuvent fortement varier en fonction du type de source d'énergie raccordée et des consommateurs AC. C'est pourquoi, il est recommandé de déterminer une valeur optimale à l'aide du besoin total en énergie et de la taille de la batterie. Les cas extrêmes suivants sont courants : 2 démarrages du générateur par jour sans utilisation de sources d'énergies renouvelables Aucun fonctionnement du générateur en cas d'alimentation complète prise en charge par des sources d'énergies renouvelables La limite supérieure de charge permanente DC doit être sélectionnée de telle sorte que la batterie dispose de suffisamment de puissance pour se recharger. SMA Solar Technology AG 7/10

8 Raccordement des sources d'énergies renouvelables 7 Raccordement des sources d'énergies renouvelables En fonction du site, les Sunny Island peuvent être combinés de façon flexible avec des sources d'énergies renouvelables. Les sources d'énergies renouvelables peuvent être raccordées du côté AC ou DC via des convertisseurs correspondants. Si les producteurs ou les charges sont raccordés du côté DC, il faut intégrer un capteur de courant de batterie afin que la gestion de la batterie du Sunny Island puisse enregistrer correctement le courant de charge de la batterie. Du côté AC, vous pouvez raccorder de façon optimale des sources d'énergies renouvelables à l'aide des onduleurs SMA. Pour un rendement maximum, il est recommandé de sélectionner un couplage AC ou DC en prenant en considération les besoins du consommateur. Si vous devez alimenter, par exemple, un système à air conditionné, il est judicieux de raccorder une installation photovoltaïque du côté AC. En cas de fort ensoleillement, le besoin en refroidissement est en effet plus important et le système à air conditionné dispose en outre d'un raccordement AC. La puissance des producteurs couplés au moyen de contrôleurs de charge ou d'onduleurs pour site isolé est librement configurable, dans la limite de valeurs données. Afin d'éviter tout surdimensionnement des sources d'énergie, il convient, dans la mesure du possible, de ne pas dépasser le courant de charge maximum une fois le courant type débité : Les sources d'énergie à raccorder ne devraient pas fournir une puissance supérieure au double de la puissance du Sunny Island. Une limite inférieure est appliquée uniquement dans les systèmes ne comportant aucun générateur. Dans ces systèmes, un courant de charge d'au moins 10 A pour une capacité nominale de 100 Ah devrait être disponible aux heures de pointe de consommation. 8 Approches conceptuelles de l'alimentation en électricité d'une BTS Il existe 2 approches conceptuelles de l'alimentation en électricité d'une BTS. La première correspond au concept classique d'un système à réseau en îlotage basé sur des sources d'énergies renouvelables. Le système est alors conçu en fonction des spécificités du site et de la disponibilité des sources d'énergies renouvelables, et les coûts de fabrication sont optimisés. L'utilisation d'un générateur est facultative, le générateur sert au maximum de source auxiliaire. Son temps de fonctionnement est donc peu élevé. Il requiert alors peu de maintenance et sa consommation en diesel est faible. Cette approche convient tout particulièrement aux systèmes de réseau en îlotage de taille relativement importante et présentant des particularités locales. La conception basée sur cette approche est, en effet, entièrement optimisée en prenant en compte les conditions locales. SMA Solar Technology AG 8/10

9 Approches conceptuelles de l'alimentation en électricité d'une BTS L'alimentation en électricité de plusieurs BTS exige cependant, la plupart du temps, l'élaboration d'un système standard applicable à de nombreux sites et devant être rentable, même en cas d'espace limité pour les panneaux solaires et en cas d'exploitation du réseau en parallèle. En outre, les exploitants de BTS comptent sur un amortissement de l'installation en 4 ans. C'est pourquoi, en partant d'un fonctionnement 24 heures sur 24 et sur 7 jours sur 7 avec 1 à 2 générateurs, l'approche choisie pour les sites isolés d'une BTS est actuellement celle d'optimiser le coût total de possession. Contrairement à la conception classique du système de réseau en îlotage, la réduction de la consommation en diesel et des intervalles de maintenance est ici cruciale. La mise en œuvre d'un système hybride générateur/batterie peut améliorer le coût total de possession grâce à la prise en charge par une batterie de l'alimentation des consommateurs et grâce à la charge de la batterie par le générateur uniquement 1 à 2 fois par jour et pendant quelques heures. Une telle solution permet de réduire considérablement le temps de fonctionnement et la maintenance du générateur tout en augmentant sa durée de vie et sa performance. Grâce aux économies ainsi réalisées, le coût total de possession est la plupart du temps plus faible que celui généré en cas de fonctionnement permanent du générateur, et ce, bien que la batterie doive être souvent remplacée en raison d'une forte sollicitation. Un pur système hybride générateur/batterie sans source d'énergies renouvelables convertit habituellement chaque jour la capacité nominale complète, par exemple avec 2 décharges jusqu'à un état de charge de 40 %. Le débit d'énergie constamment très élevé provoque une quantité importante de chaleur perdue. Outre les débits importants, la hausse de la température constitue le facteur principal d'accélération du vieillissement de la batterie. C'est pourquoi, il est toujours avantageux d'intégrer une part de sources d'énergies renouvelables qui pourra assumer une charge de maintien quotidienne en cas de consommation constante d'une BTS. La sollicitation et le réchauffement de la batterie sont alors considérablement réduits et la durée de vie de la batterie prolongée. Utiliser le générateur pour la charge de maintien de la batterie constitue une solution très inefficace, étant donné que la part du fonctionnement à vide dans la consommation par kilowattheure est très élevée. Dans un système avec Sunny Island, le grand nombre de classes de puissance des onduleurs pour installations photovoltaïques ou éoliennes permet de varier, en fonction des spécificités du site, les sources d'énergies renouvelables raccordées, sans modification de la conception primaire du système. C'est ce qui rend cette solution si flexible, modulaire et adaptable. Le Sunny Island fait alors office de gestionnaire du système et permet de mettre en œuvre tous les modes de fonctionnement cités. SMA Solar Technology AG 9/10

10 Références 9 Références Cesme en Turquie Mugla en Turquie Croatie Installation photovoltaïque : Éolienne : Tracker solaire équipé d'un Sunny Boy 3000 ; Puissance de crête 3,2 kwp Éolienne de petite taille Proven avec Windy Boy 6000A ; Puissance 6 kw Système de réseau 1 x Sunny Island 5048 en îlotage : Batterie : Type de batterie OpzV ; Capacité de la batterie Ah Consommateurs : BTS Source photo : Girasolar Installation photovoltaïque : 3 x Sunny Mini Central 6000A ; Puissance crête 17,88 kwp Éolienne : 3 x Windy Boy 5000A ; Puissance 15 kw Système de réseau 6 x Sunny Island 5048 en îlotage : Batterie : Type de batterie OpzS ; Capacité de la batterie Ah Consommateurs : BTS et un restaurant Imagen de: Girasolar Installation photovoltaïque : Système de réseau en îlotage : Sunny Boy 3300 et contrôleur de charge ; Puissance de crête 11,5 kwp 1 x Sunny Island 5048 avec générateur Batterie : Type de batterie OpzV ; Capacité de la batterie Ah Consommateurs : BTS Source photo : EnergyPLUS SMA Solar Technology AG 10/10