Un onduleur est un dispositif d’électronique de puissance qui convertit le courant continu (DC) en courant alternatif (AC). Dans un système d’énergie solaire, il transforme le courant continu produit par les panneaux en courant alternatif utilisé dans les maisons et les usines, afin que l’électricité puisse être injectée dans le réseau ou consommée sur place. Dans les sources turques, le même appareil peut également être désigné par le terme invertör ; le terme recommandé par l’Association de la langue turque est evirici. Ces trois termes désignent le même équipement. Même si le panneau est la partie visible du système, c’est entièrement cet appareil qui rend l’énergie produite utilisable. Dans cet article, nous examinerons le rôle de l’onduleur, la différence entre DC et AC, les différents types d’onduleurs et ce que signifient réellement les valeurs de rendement.

Qu’est-ce qu’un onduleur ?

Un onduleur est un appareil qui transforme l’électricité circulant dans une direction fixe à son entrée en une électricité alternative changeant de direction un certain nombre de fois par seconde. Il réalise cette opération non pas à l’aide de pièces mécaniques, mais avec des composants de commutation à semi-conducteurs. Les transistors de puissance à l’intérieur de l’appareil (généralement des IGBT ou des MOSFET) s’ouvrent et se ferment à l’échelle de la microseconde ; lorsque ces impulsions de commutation rapides passent à travers des filtres, elles produisent une onde sinusoïdale régulière semblable à celle du réseau.

Pour utiliser une comparaison simple : le panneau produit de l’énergie comme un cours d’eau s’écoulant dans une seule direction, tandis que le réseau attend une onde qui oscille dans les deux sens. L’onduleur est le traducteur entre ces deux langages.

Les modèles utilisés dans les centrales solaires ne sont pas de simples appareils de conversion. Un onduleur solaire moderne réunit dans un même boîtier les unités suivantes :

• Étage de puissance : le circuit de commutation et les filtres qui convertissent le DC en AC.
• Entrée MPPT : le canal d’entrée qui recherche en permanence le point de fonctionnement auquel la chaîne de panneaux produit sa puissance maximale. Les grands systèmes disposent de plusieurs entrées MPPT indépendantes.
• Carte de contrôle et de communication : l’unité qui gère la synchronisation avec le réseau, enregistre les données de production et permet la surveillance à distance.
• Circuits de protection : le matériel qui place le système dans un état sûr en cas de surtension, surintensité, défaut d’isolement ou fonctionnement en îlotage.

Quel est le rôle de l’onduleur dans un système d’énergie solaire ?

Il est difficile de résumer le rôle de l’onduleur en une seule phrase, car il remplit plusieurs fonctions dans le système. Lorsqu’on considère dans son ensemble le fonctionnement des systèmes d’énergie solaire, l’onduleur constitue à la fois l’élément de conversion et l’élément de gestion de la chaîne.

Conversion. C’est sa fonction principale. Le courant continu produit par les cellules photovoltaïques du panneau solaire est transformé en courant alternatif de 230 V / 400 V et 50 Hz.

Synchronisation réseau. Pour que l’AC produit puisse être injecté dans le réseau, la tension, la fréquence et l’angle de phase doivent correspondre exactement à ceux du réseau. Même un décalage de quelques millisecondes peut empêcher le transfert d’énergie. L’onduleur échantillonne en permanence le réseau et verrouille sa sortie sur ces valeurs.

Suivi du point de puissance maximale. La tension d’entrée est ajustée en continu afin de capter la puissance maximale que la chaîne de panneaux peut fournir. Ce point se déplace en cas de passage nuageux, de variation de température ou d’ombrage ; l’onduleur poursuit alors son suivi.

Surveillance et reporting. La puissance instantanée, la production quotidienne et cumulée ainsi que les historiques de défauts peuvent être lus via l’onduleur. Sur un site, l’un des moyens les plus pratiques de vérifier si les panneaux fonctionnent consiste souvent à consulter les données affichées par l’onduleur.

Sécurité. Lorsque le réseau est coupé, l’onduleur arrête la production. Ce comportement, appelé protection anti-îlotage, est obligatoire pour protéger le personnel de maintenance travaillant sur la ligne.

Différence entre courant DC et courant AC

Les panneaux solaires ne peuvent physiquement produire que du courant continu, alors que le réseau électrique repose sur le courant alternatif. Cette incompatibilité est précisément la raison d’être de l’onduleur.

La raison pour laquelle l’infrastructure de distribution électrique repose sur l’AC se trouve également dans les deux dernières lignes de ce tableau : la tension alternative pouvant être facilement élevée grâce à des transformateurs, l’électricité peut être transportée sur des centaines de kilomètres avec de faibles pertes.

Quels sont les différents types d’onduleurs ?

Les onduleurs se distinguent selon le nombre de panneaux qui leur sont raccordés, leur relation avec le réseau et leur prise en charge du stockage d’énergie. Les architectures hybrides combinant plusieurs types sur un même site sont également courantes.

Onduleur string

Il tire son nom du terme « string », qui désigne une chaîne de panneaux. Des groupes de panneaux raccordés en série sont connectés à l’entrée d’un seul onduleur. La grande majorité des installations résidentielles et des toitures commerciales de taille moyenne utilisent ce type. Son installation rapide et sa maintenance centralisée lui confèrent un bon rapport coût-performance.

Son point faible vient de la nature du raccordement en série : lorsqu’un panneau de la même chaîne est ombragé ou encrassé, toute la chaîne descend au niveau de courant du panneau le plus faible.

Micro-onduleur

Un onduleur distinct est placé derrière chaque panneau ; la conversion est réalisée au niveau du panneau. L’ombrage d’un panneau n’affecte pas les autres, car les panneaux fonctionnent indépendamment.

Cette solution se distingue sur les sites irréguliers présentant des ombres de cheminée, plusieurs inclinaisons de toiture ou des surfaces orientées dans différentes directions. En revanche, puisqu’elle nécessite un équipement par panneau, elle est généralement peu utilisée dans les centrales de grande taille.

Onduleur hybride

Il combine la connexion au réseau et la gestion de la batterie dans un seul appareil. L’excédent de production en journée recharge le parc de batteries, puis cette énergie est utilisée le soir. Le décalage temporel entre les courbes de production et de consommation est ainsi réduit.

À mesure que le règlement horaire gagne en importance, les architectures hybrides prennent davantage de poids ; pour l’aspect économique du sujet, vous pouvez consulter nos articles expliquant comment le bilan horaire est calculé et comment l’énergie est stockée.

Onduleur central

Il s’agit de grandes unités de type conteneur ou armoire utilisées dans les centrales solaires de plusieurs mégawatts. Un grand nombre de chaînes du site sont regroupées dans des coffrets de combinaison DC puis acheminées vers une seule unité centrale.

Le coût par unité de puissance est faible et l’exploitation est centralisée. En contrepartie, la capacité affectée en cas de panne est importante ; la redondance et la planification de la maintenance deviennent donc critiques.

Onduleur off-grid

Il s’agit de l’onduleur utilisé dans les systèmes fonctionnant totalement indépendamment du réseau. En l’absence de référence réseau, il génère lui-même sa fréquence et sa tension et doit donc obligatoirement fonctionner avec un parc de batteries. Comme la chimie de la batterie détermine directement la durée de vie du système, il convient d’évaluer à l’avance les différents types de batteries pour l’énergie solaire.

Les terrains agricoles sans accès au réseau, les maisons de montagne, les stations de base et les applications d’irrigation solaire constituent des domaines d’utilisation typiques de ce type.

Que signifie le rendement d’un onduleur ?

Le rendement d’un onduleur indique quelle part de la puissance DC entrant dans l’appareil est transférée en sortie sous forme d’AC. Toutes les pertes sont transformées en chaleur. Même si ce taux est élevé sur les appareils actuels, une seule valeur en pourcentage dans un catalogue ne décrit pas complètement les performances réelles sur le terrain.

La différence s’explique par le fait qu’un onduleur ne fonctionne pas à sa puissance nominale toute la journée. Le matin et le soir, il fonctionne bien en dessous de sa capacité, tandis qu’à midi il se rapproche de la charge maximale. Comme le rendement diminue à charge partielle, le rendement européen, fondé sur une moyenne pondérée, fournit une estimation plus fidèle de la production réelle.

La température entre également en ligne de compte. Lorsque la température ambiante dépasse un certain seuil, l’appareil réduit sa puissance de sortie pour se protéger ; c’est ce que l’on appelle le derating. C’est pourquoi l’installation de l’onduleur dans un endroit ombragé et correctement ventilé est aussi déterminante que son rendement.

Un autre facteur est le rapport DC/AC. Dans la plupart des projets, la puissance installée des panneaux est choisie supérieure à celle de l’onduleur, car les panneaux ne produisent pas à leur puissance maximale pendant la majeure partie de l’année. Si ce rapport est trop élevé, une partie de la production est écrêtée autour de midi. Le calcul change sur les sites équipés d’un système de suivi solaire : comme les panneaux suivent le soleil tout au long de la journée, la courbe de production présente un profil plus équilibré et plus large du matin au soir, au lieu d’un pic étroit concentré à midi comme dans les systèmes fixes. Ce profil augmente le taux de charge de l’onduleur pendant la journée et réduit le risque d’écrêtage ; le rapport DC/AC doit donc être évalué séparément dans les projets avec tracker. Vous pouvez utiliser notre calculateur d’énergie solaire pour estimer la production de votre système et suivre la logique du calcul dans notre article expliquant comment le calcul est réalisé.