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Dimensionnement des onduleurs et câblage des modules photovoltaïque

Le choix et le nombre d'onduleurs repose sur 3 critères :
  • La compatibilité en tension
  • La compatibilité en courant
  • La compatibilité en puissance
A partir de ces 3 critères, le dimensionnement des onduleurs va imposer la façon de câbler les modules entre eux.

Le but de ce chapitre est de savoir dimensionner les onduleurs et d'en déduire le câblage des modules photovoltaïques.
Pour une meilleure compréhension de ce cours, veuillez avant lire le chapitre intitulé " Côté continu de l'onduleur " de la partie II.

Le plan du cours est le suivant :

DIMENSIONNEMENT DES ONDULEURS ET CÂBLAGE DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES

  1. La compatibilité en tension
  2. La compatibilité en courant
  3. La compatibilité en puissance
  4. Exemple de dimensionnement des onduleurs


La compatibilité en tension



Tension maximale admissible



Un onduleur est caractérisé par une tension d'entrée maximale admissible Umax. Si la tension délivrée par les modules est supérieure à Umax, l'onduleur sera irrémédiablement détruit. Le dépassement de la valeur Umax pour la tension d'entrée est, par ailleurs, la seule cause d'endommagement définitif de l'onduleur.

La valeur de Vmax apparaît sur la fiche technique de l'onduleur. Par exemple, sur la fiche technique de l'onduleur SB 4 000 TL de la marque SMA (télécharger la fiche technique), la tension d'entrée maximale admissible indiquée est Umax = 550 V, ainsi qu'illustré ci-dessous :

Tension d'entrée maximale de l'onduleur SB 4 000 TL de SMA


La tension délivrée par le groupe photovoltaïque ne devra donc jamais dépasser cette valeur de 550 V, pour l'onduleur SB 4 000 TL. Pour d'autres onduleurs, la valeur de Umax est différente, et il faudra donc se référer à leur fiche technique.

Par ailleurs, comme la tension des modules photovoltaïques s'ajoutent lorsqu'on les branche en série, la valeur de Umax va donc déterminer le nombre maximum de modules en série. Cela dépendra évidemment de la tension délivrée par les modules photovoltaïques. Dans le calcul de dimensionnement, on considèrera que la tension délivrée par un module est sa tension à vide, notée Uco.

Le nombre maximum de modules photovoltaïques en série se calcule par la formule simple suivante :
Nombre maximum de modules photovoltaïques en série

où E(x) signifie la partie entière de x.
Le coefficient 1.15 est un coefficient de sécurité imposé par le guide UTE C15-712.


Le tableau suivant permet de calculer le nombre maximum de modules en série, calculé conformément à la formule ci-dessus :

TENSION MAXIMALE
ADMISSIBLE PAR L'ONDULEUR
Umax(V)
TENSION A VIDE
DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES
Uco (V)
NOMBRE MAXIMUM
DE MODULES EN SERIE



Plage de tension MPPT



L'onduleur doit à tout moment demander aux modules leur maximum de puissance. Pour cela, il déplace le point de fonctionnement du groupe photovoltaïque (c'est-à-dire le couple U-I). Ce point de fonctionnement correspond au point de puissance maximum. Il varie en permanence en fonction de l'intensité de l'irradiation, de la température, des ombres, etc.

La recherche du point de puissance maximum est réalisée par un système intégré en amont de l'onduleur, nommé MPPT (Maximum Power Point Tracking).
Cependant, le système MPPT ne fonctionne que pour une plage de tension d'entrée d'onduleur définie par le fabricant, et indiquée sur la fiche technique de l'onduleur. Lorsque la tension d'entrée de l'onduleur côté DC est inférieure à la tension minimale MPPT, l'onduleur continue de fonctionner mais fournit au réseau la puissance correspondante à la tension minimale MPPT. Passez votre souris sur l'image ci-dessous :

   
               



Ainsi qu'illustrés ci-dessus (passer la souris sur l'image), le fait d'avoir un point de puissance maximum en dehors de la plage de tension MPPT induit une perte de puissance du groupe PV.
Il faut donc s'assurer que la tension délivrée par le groupe photovoltaïque est comprise dans la plage de tension MPPT de l'onduleur auquel il est connecté. Si ce n'est pas le cas, il n'y aura aucun dommage à l'onduleur, mais seulement une perte de puissance.

La plage de tension MPPT est indiquée sur la fiche technique de l'onduleur. Par exemple, la plage de tension MPPT de l'onduleur SB 4 000 TL de la marque SMA (télécharger la fiche technique) est comprise entre 125 V et 445 V :

Plage de tension MPPT de l'onduleur SB 4 000 TL de SMA


Cette plage de tension MPPT va donc aussi avoir un impact sur le nombre de modules photovoltaïques en série. En effet, on cherchera idéalement à obtenir une tension délivrée par le groupe photovoltaïque comprise dans la plage MPPT, et ce quelque soit la température des modules.

Pour calculer le nombre de module en série nécessaires afin que la chaîne photovoltaïque délivre une tension comprise dans la plage de tension MPPT de l'onduleur, on pourra considérer les deux critères suivants :
  • La tension MPP délivrée par la chaîne photovoltaïque, à une température des modules de -20 °C et sous une irradiation de 1000 W/m², doit être inférieure à la valeur maximal de la plage de tension MPPT de l'onduleur. Cela permet de déterminer le nombre maximum de modules photovoltaïques en série.
  • La tension MPP délivrée par la chaîne photovoltaïque, à une température des modules de 70 °C et sous une irradiation de 1000 W/m², doit être supérieur à la valeur minimale de la plage de tension MPPT de l'onduleur. Cela permet de déterminer le nombre minimum de modules photovoltaïques en série.
Le nombre minimum et le nombre maximum de modules photovoltaïques en série se calculent par la formule simple suivante :
Nombre minimum et le nombre maximum de modules photovoltaïques en série

où E(x) signifie la partie entière de x.
Le coefficient 1.15 est un coefficient de majoration permettant de calculer la tension MPP à -20 °C.
Le coefficient 0.85 est un coefficient de minoration permettant de calculer la tension MPP à 70 °C.


Le tableau suivant permet de calculer le nombre de modules en série, conformément aux deux critères ci-dessus :

PLAGE DE TENSION MPPT
DE L'ONDULEUR (V)
TENSION MPP
DES MODULES PHOTOVOLTAÏQUES
Umpp (V)
NOMBRE DE MODULES EN SERIE
[ - ]
[ UMPPT, min - UMPPT, max ]