8/6/2015 Soltis ­ Dimensionnement

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Dimensionnement onduleurs photovoltaïque1. Principes de dimensionnement

Le dimensionnement des onduleurs consiste à sélectionner l’onduleur le mieux adapté au champphotovoltaïque envisagé. Pour dimensionner un onduleur, 3 paramètres sont à prendre en compte :- Le courant maximum fourni par le champ photovoltaïque selon son orientation et son inclinaison- La puissance maximale fournier par le champ photovoltaïque selon son orientation et son inclinaison- La plage de variation de la tension du champ photovoltaïque en fonction de la température descellules PV. En fonction de cette dernière, le point de fonctionnement optimal (mpp) peut varier dansune plage de tension de l’ordre de -20% à +15%.

Cas n°1 : Icc mod > Iond

Si le courant maximal fourni par le champ PV dépasse l’intensité maximale acceptable pour l’onduleur, ils’agit d’un cas critique qui peut endommager irréversiblement l’onduleur.

Cas n°2 : Umppmod < Umin entrée onduleur

Si le champ PV atteint son MPP (point de fonctionnement optimal) pour une tension inférieure à latension minimale d’entrée de l’onduleur, il ne s’agit pas d’un cas critique. Par contre, soit l’onduleurfonctionnera à une puissance correspondant à sa tension d’entrée minimale, soit il ne démarrera pas.

Cas n°3 : Ucomod > Umaxond

Si le champ PV a une tension à vide plus élevée que la tension d’entrée maximale de l’onduleur, il s’agitd’un cas critique, l’onduleur est en danger et risque d’être endommagé.

Cas n°4 : Pmaxmod > Pmaxond

Si le champ PV pourrait délivrer une puissance supérieure à la puissance d’entrée maximale del’onduleur, il ne s’agit pas d’un cas critique. Par contre, l’onduleur limite la puissance d’entrée et travaillesur un point de fonctionnement ne permettant pas d’atteindre une puissance maximale.

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Remarquons toutefois que si la puissance maximale de l’onduleur ne peut atteindre la puissance duchamp photovoltaïque quelques fois par an (lors des journées les plus favorables de l’année), celainfluence de façon négligeable la production annuelle. Ainsi, pour un rapport de puissance de l’ordre de90% (Pond/Pmod), la production annuelle est affectée de 0,1% ; à 80% seulement 0,7% de perte.

2. Règles de dimensionnement

Quel que soit l’onduleur envisagé, le choix du modèle doit se faire sur base du respect des 5 conditionssuivantes :

1. 90% < Pond/Pmod < 150% : Le rapport de puissance des onduleurs sur celui du champ PV doit êtrecompris entre 90 et 150 %. Ce rapport peut varier en fonction de l’orientation du système.2. Umppmod (+70°C) > Uminond : la tension mpp des panneaux à 70°C doit être supérieure à la tensiond’entrée minimale de l’onduleur.3. Umppmod (-10°C) < Umax fctond : la tension mpp des panneaux à -10°C doit être inférieure à latension maximale de fonctionnement de l’onduleur.4. Ucomod (-10°C) < Umax entréeond : la tension court-circuit des panneaux à -10°C doit être inférieureà la tension maximale acceptable par l’onduleur.5. Isc maxmod < I max ond : le courant court-circuit maximal des panneaux doit être inférieur aucourant maximal d’entrée acceptable par l’onduleur.

3. Exemples

Afin de faciliter nos exemples, nous ne prendrons en compte que la gamme des onduleurs Fronius etSMA dont les caractéristiques techniques sont reprises ci-dessous. La même démarche peut s’envisageravec une infinité de marque et de modèles différents.

Exemple 1 : Nous souhaitons identifier quel est l’onduleur le mieux adapté pour 9 panneaux Aleo S_18230.

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► Puissance du champ PV : 9*230 Wc = 2070 WcSeuls sont pris en considération les onduleurs pour lesquels le rapport Pond/Ppv oscille entre 90 et110%. Pour les Fronius, l’IG 15 & 20 est envisageable ; pour le SMA, le SB 2100 TL est le plus adapté.

► Tension maximale acceptable pour l’onduleurCaractéristiques panneaux :Voc = 36,6 V – Coef t° tension = – 124,4 mV/°C ? Voc (-10°C) = 40,9 VTensions max onduleurs :IG 15 & 20 : 500 V ; SB 2100 TL : 600 VConclusionUn string de 9 panneaux donnerait une tension max totale du champ PV de 368 V. La configuration enun seul string est dès lors tout à fait acceptable.

► Plage de fonctionnement de l’onduleur (tensions)Caractéristiques panneaux :Vmpp = 29,1 V – coef t° tension = -124,4 mV/°CVmpp max (-10°C) = 33,4 V ? Vmpp min (70°C) = 23,5 VPlages de fonctionnement des onduleurs :IG 15 & 20 : 150 – 400 V ; SB 2100 TL : 125 – 480 VConclusion :Tension du string de 9 panneaux max : 300,6 V ; min = 211,5 VLa configuration avec 1 string de 9 panneaux garantit une tension permanente du champ PV à un mpprespectant les plages de tension de fonctionnement des onduleurs envisagés.

► Courant cc max acceptableCaractéristiques panneaux :Icc = 8,44 A – coeff t° courant = 3,38 mA/°CIsc max (70°C) = 8,6 ACourant max acceptable par les onduleurs :IG 15 = 10,8 A ; IG 20 = 14,3 A; SB 2100 TL = 11 AConclusion :Le courant max des panneaux = 8,6 A. Les 3 onduleurs envisagés peuvent supporter les courantsmaximum du système PV

► ConclusionLa configuration de 1 string de 9 panneaux Aleo S_18 230 convient aux onduleurs IG 15, 20 et SB 2100TL. Le choix entre ces 3 modèles sera effectué non plus sur base de considérations dedimensionnement mais sur d’autres critères telles que le prix, la volonté du client en faveur d?unemarque particulière, la volonté du client d’un rapport de puissance déterminé, etc…

Exemple 2 : Nous souhaitons identifier quel est l'onduleur le mieux adapté pour 12 pannaux Sunpower318 WHT.

► Puissance du champ PV : 12*318 Wc = 3816 WcSeuls sont pris en considération les onduleurs pour lesquels le rapport Pond/Ppv oscille entre 90 et110%. Pour les Fronius, les IG plus 35 et 50 sont envisageables ; pour le SMA, le SB 3300 et 3800 sont lesplus adaptés. Pour ces derniers, nous ne prendrons en compte que le SB 3300 pour l’exercice car lescaractéristiques DC entre ces 2 onduleurs sont identiques (excepté au niveau de la puissance). Lesonduleurs sans transo (TL) ne sont pas pris en compte car incompatibles avec Sunpower.

► Tension maximale acceptable pour l’onduleurCaractéristiques panneaux :Voc = 64,7 V – Coef t° tension = – 176,6 mV/°C ? Voc (-10°C) = 70,88 VTensions max onduleurs :IG plus 35 & 50 : 600 V ; SB 3300 : 500 VConclusionUn string de 12 panneaux donnerait une tension max totale du champ PV de 850,6 V. Aucun desonduleurs envisagés ne peut supporter une telle tension, il faut dès lors envisager la configuration avec2 strings soit 425,3 V au maximum.

► Plage de fonctionnement de l’onduleur (tension)Caractéristiques panneaux :Vmpp = 54,7 V – coef t° tension = -176, 6 mV/°CVmpp max (-10°C) = 60,88 V ? Vmpp min (70°C) = 46,8 VPlages de fonctionnement des onduleurs :IG plus 35 & 50 : 230 – 500 V ; SB 3300 : 200 – 400 VConclusion :Tension du string de 6 panneaux max : 365,28 V ; min = 280,7 VLa configuration avec 2 strings de 6 panneaux respecte les plages de fonctionnement de tous lesonduleurs envisagés.

► Courant cc max acceptableCaractéristiques panneaux :Icc = 6,2 A – coeff t° courant = 3,5 mA/°C

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Isc max (70°C) = 6,35 ACourant max acceptable par les onduleurs :IG plus 35 = 16 A IG plus 50 = 18,3 A; SB 3300 = 20 AConclusion :Le courant max des panneaux = 2*6,35 A = 12,7 A. Les 3 onduleurs envisagés peuvent supporter lescourants maximum du système PV

► ConclusionLa configuration de 2 strings de 6 panneaux Sunpower 318 WHT convient aux onduleurs IG plus 35, IGplus 50 et SB 3300. Le choix entre ces 3 modèles sera effectué non plus sur base de considérations dedimensionnement mais sur d’autres critères telles que le prix, la volonté du client en faveur d’unemarque particulière, la volonté du client d’un rapport de puissance déterminé, etc…

4. Dimensionnement des câbles

Dans l’industrie photovoltaïque, les dimensionnements sont généralement réalisés pour que la perte detension due au câblage soit inférieure à 1%

Pour déterminer la règle de dimensionnement des câbles, il faut se baser sur le raisonnement suivant :

Notre objectif est que la différence (perte) de tension entre celle à la sortie des panneaux et celle àl’entrée de l’onduleur soit inférieur à 1%

Selon la loi des mailles : Upv = Ua + Uond + Ua ou Upv-Uond = 2 Ua.Selon la loi d’Ohm, U = R * I (où R = résistance et I = l’intensité ou le courant-Dès lors Upv-Uond = 2 * R * I

On sait également que la résistance est égale à la section multipliée par un coefficient de résistivitédivisée par la longeur : R = X*L / S . (X étant le coefficient de résistivité) Pour le cuivre, le coefficient de résistivité est de 0,023 cm²/m.

Sur base de ces informations, on peut déduire la relation suivante : (2 * * L * I) / (S * Usyst) <1%,En isolant la section, le calcul limite pour des câbles en cuivre peut se faire ainsi :

S = section du câbleUsyst = Tension du système photovoltaïqueI = Courant max injecté par le système photovoltaïqueL = longueur séparant le système photovoltaïque de l’onduleur

Exemple 1 : sur base de l’exemple 1 repris dans le chapitre précédent (1* 9 Aleo S_18 230), si l’onconsidère que les modules sont disposés à 15 mètres de l’onduleur, le calcul de la section s’effectuerade la manière suivante :

S > 4,6 *15 * 8,6 / 300,6 = 1,98 cm²

Pour cette configuration, du câble de 2,5 cm² de section est donc suffisant pour la partie AC.

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Exemple 2 : sur base de l’exemple 2 repris dans le chapitre précédent (2*6 SPR 318 WHT) ; enconsidérant qu’ils sont disposés au sol, éloignés des onduleurs par 50 m et qu’un boitier de connexioncentralise les 2 strings au départ des modules jusqu’à l’onduleur, le calcul de la section s’effectuera de lamanière suivante :

S > 4,6 * 50 *12,7 / 365,28 = 7,99 cm²

Pour cette configuration, un câble de minimum de 8 cm² de section devra être utilisé. Dans les faits, unesection de 10 cm² sera employée car on ne retrouve pas de sections de 8 cm² sur le marché.

NB : Le calcul pour le courant alternatif s’effectue de la même manière. A noter que si l’injection se faiten triphasé 230 V, le courant est à diviser par racine carré de 3 = 1,73, en triphasé 400 V, le courant est àdiviser par 3. Même logique pour l’injection en biphasé.

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