FR3033962A1 - Onduleur pour source d’energie continue - Google Patents
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Abstract
Onduleur (1) pour source d'énergie continue, apte à délivrer, à partir du signal de tension continue de la source d'énergie, un signal alternatif de tension dont la fréquence correspond à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique sur lequel est destiné à être injecté ce signal de tension, caractérisé en ce que l'onduleur comporte au moins un convertisseur continu-continu (10; 10A, 10B) qui est apte à fournir un signal de tension continu sous la forme d'arches qui sont modulées à la fréquence ou un multiple de la fréquence du signal circulant sur le réseau électrique, et en ce que l'onduleur comporte en aval du convertisseur continu-continu un bloc (11) dit d'aiguillage, comprenant au moins deux interrupteurs (T1, T2, T3, T4), de préférence du type transistors, dont la fonction est de laisser passer et bloquer le courant alternativement, en fonction de la polarité de la tension du réseau électrique, pour délivrer en sortie du bloc sur le réseau électrique un signal de tension à la fréquence ou un multiple de la fréquence du réseau électrique, lequel signal a une forme correspondant à la forme du signal du réseau électrique.
Description
ONDULEUR POUR SOURCE D'ENERGIE CONTINUE L'invention concerne un onduleur pour la transformation d'une tension continue issue d'une source d'énergie à courant continu en une tension alternative destinée à être injectée sur un réseau électrique de distribution d'énergie alternative, tel que fournissant une tension sinusoïdale de valeur efficace 110 V ou 230 V ou encore 400 V. Ledit réseau électrique sera indifféremment appelé « secteur » ou « réseau électrique » dans la description qui suit.
Le terme « onduleur » s'entend par un dispositif dont la fonction est de transformer un signal continu en un signal alternatif, lequel signal peut correspondre à une tension ou à un courant, indifféremment à l'entrée et à la sortie.
Le terme « signal de tension » pourra être remplacé par le terme « signal de courant » pour des dispositifs utilisant indifféremment des sources de courant en entrée, ou une topologie de convertisseur utilisant des sources de courant intermédiaires, ou encore un réseau imposant son courant.
L'homme de l'art saura transposer l'invention présente. On entend dans la suite de la description par « source d'énergie continue », une source d'énergie délivrant une tension continue constante ou pulsée, ou issue d'une source alternative redressée, telle qu'une génératrice alternative redressée en courant continu par un redresseur actif ou passif. L'invention est décrite au regard d'un réseau électrique de tension, c'est-à-dire un réseau électrique qui impose la valeur instantanée de la tension, et subit le courant qui lui est délivré/injecté. Toutefois, elle est aussi bien 3033962 2 applicable à un réseau électrique de courant. De la même façon, les moyens techniques de l'invention relatifs comme il sera vu plus loin à des convertisseurs continu-continu et à un dispositif dit « aiguilleur », seront adaptés afin que les convertisseurs continu-continu utilisés puissent 5 imposer à l'aiguilleur soit une tension, soit un courant, en vue de délivrer et d'imposer au réseau électrique soit une tension, soit un courant. Dans la suite de la description, le terme « signal » sera relatif à la tension ou au courant.
10 L'invention sera plus particulièrement décrite en regard de panneaux photovoltaïques en tant que sources d'énergie à courant continu, sans toutefois y être limitée. Elle s'appliquera à toutes autres sources d'énergie continue, telles que les sources d'énergie renouvelables autres que le solaire, telles que l'énergie éolienne, ou d'autres sources, par exemple 15 une pile à hydrogène, un réseau électrique de bord au sein d'un véhicule automobile, aéronautique, ou encore une batterie de stockage d'énergie électrique électrochimique, ou un super-condensateur, etc. Un onduleur en aval de panneaux photovoltaïques permet de transformer 20 la tension continue issue des panneaux, en un signal alternatif de tension à la fréquence du réseau électrique usuel de distribution électrique afin d'injecter l'énergie des panneaux sur ledit réseau électrique. De manière connue l'onduleur associé à des panneaux photovoltaïques 25 fonctionne sur le principe de la modulation à largeur d'impulsions (nommée couramment MLI ou PWM en anglais), le signal d'entrée de l'onduleur est le signal continu de sortie des panneaux photovoltaïques, qui est transformé via l'onduleur en un signal sous la forme de créneaux dont la largeur est modulée pour correspondre à la fréquence ou à une 30 fréquence multiple du réseau électrique, 50 Hz. Un filtre est généralement 3033962 3 associé à la sortie de l'onduleur pour fournir un signal sous forme de sinusoïde. Dans certaines réalisations, un hacheur est placé en tête de l'onduleur, 5 afin de changer le niveau de la tension fournie par la source à courant continu (les panneaux solaires), tension qui reste un signal continu devant être transformé en un signal modulé à la fréquence du réseau électrique, ou à une fréquence multiple.
10 Que ce soit dans le cadre de panneaux photovoltaïques regroupés au sein d'un parc dit champ solaire, ou pour une toiture, les panneaux sont connectés électriquement entre eux en parallèle ou en série et sont raccordés à un onduleur central unique qui reçoit l'énergie de chacun des panneaux et la transforme, pour être injectable directement sur le réseau 15 électrique. Cependant, une panne ou un dysfonctionnement au niveau de l'onduleur central ou de l'un des panneaux, chaque panneau intégrant de l'électronique, peut engendrer une diminution de l'énergie injectée, voire 20 même l'absence d'énergie. En outre, tous les panneaux étant reliés à l'onduleur central, il est très malaisé de détecter le dysfonctionnement d'un panneau et d'identifier le panneau en cause, ou même de détecter le vol d'un panneau.
25 Par ailleurs, un onduleur centralisé est utilisé pour plusieurs panneaux photovoltaïques afin de ne pas multiplier le nombre d'onduleurs, dont le coût unitaire est élevé. Or les panneaux nécessitant d'être connectés électriquement en série ou en parallèle, il en résulte des coûts de main 3033962 4 d'ceuvre onéreux lors de l'installation qui s'avère longue pour effectuer les multiples connexions. Enfin, l'onduleur centralisé ne permet pas de séparer les fonctionnements 5 élémentaires de chaque panneau, ce qui pose un problème de perte de rendement en cas d'ombrage localisé à quelques panneaux (dû à un arbre, une cheminée par exemple), ou en cas d'endommagement d'un ou plusieurs panneaux. Par extension, la connexion de plusieurs panneaux photovoltaïques sur un même onduleur conduit à l'obligation de 10 sélectionner des panneaux de même performances, afin de minimiser les déséquilibres entre eux, pour palier une perte de rendement de l'installation globale. L'invention a donc pour but de proposer un onduleur pour une source 15 d'énergie continue ainsi qu'un dispositif gérant plusieurs sources d'énergie, qui permettent de résoudre les inconvénients précités, dont notamment fournir un suivi du fonctionnement de chaque source d'énergie, tout en procurant avantageusement une réduction des coûts de l'injection de l'énergie sur le réseau électrique, et en optimisant le 20 rendement de chaque source d'énergie. L'invention peut procurer d'autres avantages comme l'isolation galvanique entre une source d'énergie et le réseau usuel de distribution d'énergie, la tenue au choc de foudre sur la source d'énergie, la limitation de la tension 25 entre la source d'énergie et la terre, la possibilité d'ajouter ultérieurement à une installation, des sources d'énergie supplémentaires, et la possibilité d'intégrer physiquement un onduleur dans un panneau. Selon l'invention, l'onduleur pour source d'énergie continue, est apte à 30 délivrer, à partir du signal de tension continue de la source d'énergie, un 3033962 5 signal alternatif de tension dont la fréquence correspond à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique sur lequel est destiné à être injecté ce signal de tension, et est caractérisé en ce que l'onduleur comporte au moins un convertisseur continu-continu qui est apte à fournir 5 un signal de tension continu sous la forme d'arches qui sont modulées à la fréquence ou un multiple de la fréquence du signal circulant sur le réseau électrique, et en ce que l'onduleur comporte en aval du convertisseur continu-continu bloc dit d'aiguillage comprenant au moins un interrupteur, en particulier au moins deux interrupteurs, de préférence du type 10 transistors bipolaires, dont la fonction est de laisser passer et bloquer le courant alternativement, en fonction de la polarité de la tension du réseau électrique, pour délivrer en sortie du bloc sur le réseau électrique, un signal de tension à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique, lequel signal a une forme correspondant à la forme du 15 signal du réseau électrique. La forme d'ondes électrique dudit réseau électrique est typiquement en forme de cosinus ou de sinus, mais elle peut avoir toute autre forme, selon les réseaux électriques considérés, comme par exemple une injection 20 d'harmonique trois. Ladite forme est composée d'arches alternativement positives et négatives, lesquelles sont appelées dans ce document arches d'ondes secteur. Le signal délivré au réseau électrique par l'aiguilleur correspondra à la forme du signal du réseau électrique.
25 Ainsi d'une part, le convertisseur continu-continu est utilisé de manière spécifique pour produire un signal continu reproduisant la forme d'onde du réseau de distribution d'énergie électrique, laquelle peut correspondre pour le réseau électrique public à des arches d'onde secteur (arches d'onde à l'image de celles du secteur), et d'autre part, le bloc 30 d'interrupteurs a pour rôle d'aiguiller le signal en arches issu du 3033962 6 convertisseur continu-continu, et cela alternativement à la fréquence du secteur pour produire un signal alternatif de polarité opposée en arches à la fréquence du secteur.
5 Cette configuration d'onduleur permet de fournir un dispositif peu onéreux de fabrication et simple de mise en oeuvre pour constituer un onduleur pour chaque panneau photovoltaïque, répondant en particulier aux inconvénients précités.
10 Dans un premier mode de réalisation, dit à arches simples avec aiguilleur en pont complet, l'onduleur comporte un unique convertisseur continu-continu comportant une sortie simple entre un potentiel nul, et un potentiel positif, le convertisseur continu-continu étant apte à produire un signal de sortie qui est continu et en arches d'ondes positives, tandis que les 15 interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de quatre répartis en pont complet, c'est-à-dire selon deux bras agencés en parallèle de deux interrupteurs placés en série, chacun des deux bras étant connectés en amont entre les potentiels nul et positif du convertisseur continu-continu et en aval, le point milieu de chaque bras étant destiné à être connecté au 20 réseau électrique, en particulier le point milieu du premier bras étant destiné à être connecté à la phase du réseau électrique tandis que le point milieu du second bras est destiné à être connecté au neutre du réseau électrique.
25 Dans un deuxième mode de réalisation, dit à arches simples avec aiguilleur en demi-pont, l'onduleur comporte un unique convertisseur continu-continu comportant une sortie simple entre un potentiel nul, et un potentiel positif, le signal de sortie étant continu et en arches d'onde du secteur positives, et les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre 30 de deux répartis en demi-pont, selon un bras comprenant deux 3033962 7 interrupteurs placés en série et connectés entre le potentiel nul et le potentiel positif, et deux condensateurs en série qui sont agencés en parallèle des deux interrupteurs, le point milieu du bras d'interrupteurs et le point milieu des condensateurs étant destiné à être connecté au réseau 5 électrique, en particulier le point milieu du premier bras des interrupteurs étant destiné à être connecté à la phase du réseau électrique tandis que le point milieu du second bras des condensateurs est destiné à être connecté au neutre du réseau électrique.
10 Dans un troisième mode de réalisation, dit symétrique à arches doubles, l'onduleur comporte deux convertisseurs continu-continu, de préférence identiques, ayant chacun une sortie simple entre un potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux convertisseurs continu-continu étant relié à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur 15 continu-continu, afin de former un convertisseur continu-continu global symétrique fournissant deux signaux symétriques, l'un positif et l'autre négatif, lesquels signaux ont une valeur moyenne continue et sont modulés de façon sensiblement symétrique chacun en arches d'ondes secteur, tandis que les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre 20 de deux dont un interrupteur est connecté en amont au potentiel positif du premier convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique, et l'autre interrupteur est connecté en amont au potentiel positif du second convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique.
25 Enfin selon un quatrième mode de réalisation, dit symétrique à arches simples, l'onduleur et l'aiguilleur sont réalisés de la même façon que dans la troisième réalisation dite symétrique à arches doubles, mais les arches d'onde secteur de chacun des deux convertisseurs continu-continu reliés 30 à l'aiguilleur sont nulles la moitié du temps, de façon complémentaire, 3033962 8 c'est-à-dire que le convertisseur continu-continu qui fournit le signal positif est activé lorsque la tension du réseau électrique est positive, et fournit un signal sensiblement nul lorsque ladite tension du réseau électrique est négative, et réciproquement pour le second convertisseur continu-continu 5 qui fournit le signal négatif, celui-ci étant activé lorsque la tension du réseau électrique est négative, et fournissant un signal sensiblement nul lorsque ladite tension du réseau électrique est positive. Selon ce quatrième mode de réalisation, l'onduleur comporte ainsi deux 10 convertisseurs continu-continu, de préférence identiques, ayant chacun une sortie simple entre un potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux convertisseurs continu-continu étant reliée à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur continu-continu, afin de former un convertisseur continu-continu global symétrique fournissant 15 deux signaux symétriques, l'un positif et l'autre négatif, lesquels signaux ont une valeur moyenne continue et sont modulés de façon sensiblement symétrique chacun en arches d'onde du secteur, et en ce que les deux convertisseurs continu-continu sont contrôlés pour fournir des arches d'onde discontinues positives et respectivement négatives de manière 20 alternée, c'est-à-dire que le convertisseur continu-continu qui fournit le signal positif est activé lorsque la tension du réseau électrique est positive, et fournit un signal sensiblement nul lorsque ladite tension du réseau électrique est négative, et réciproquement pour le second convertisseur continu-continu qui fournit le signal négatif, celui-ci étant activé lorsque la 25 tension du réseau électrique est négative, tandis que les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de deux dont un interrupteur est connecté en amont au potentiel positif du premier convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique, et l'autre interrupteur est connecté en amont au potentiel positif du second 3033962 9 convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique. De préférence, les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont des transistors 5 bipolaires, soit simples, soit associés à une diode montée en antiparallèle, soit associés à une diode montée en série, soit associés à deux diodes, l'une montée en antiparallèle, avec une autre diode montée en série sur l'ensemble formé par le transistor et sa diode antiparallèle.
10 Selon une première caractéristique avantageuse, le ou les convertisseurs continu-continu comportent un hacheur CUK, ou Fly-back. Selon une deuxième caractéristique avantageuse chaque convertisseur continu-continu comporte un onduleur pleine onde associé à un 15 transformateur et un redresseur à diodes. Ledit redresseur à diodes peut être réalisé avec une, deux ou quatre diodes, montées en demi-pont ou en pont complet, selon les règles de l'état de l'art. De façon préférentielle, un condensateur est placé sur les terminaisons alternatives dudit onduleur, lequel condensateur a une valeur relative comprise sensiblement en 0,1% 20 et 10% en unités réduites, c'est-à-dire qu'il consommerait une énergie réactive équivalente en régime sinusoïdal, comprise sensiblement entre 0,1% et 10% de la puissance active contrôlée par l'onduleur. Dans une version simplifiée, aucun transformateur d'isolement n'est utilisé 25 dans le convertisseur continu-continu. L'invention est également relative à un ensemble comprenant l'onduleur de l'invention et des moyens de commande contrôlant l'ouverture et la fermeture des interrupteurs de l'onduleur (interrupteurs du convertisseur 30 continu-continu et du bloc d'aiguillage), les moyens de commande 3033962 10 recevant les informations du réseau électrique relative à la fréquence et la polarité de la tension du réseau électrique afin de commander au moment opportun les interrupteurs.
5 L'invention est également relative à un ensemble comprenant une pluralité de sources d'énergie continue et plusieurs onduleurs de l'invention, caractérisé en ce que chaque source d'énergie continue est reliée en aval à un onduleur respectif de l'invention, en particulier chaque source d'énergie est connectée à au moins un convertisseur continu-continu 10 respectif d'un onduleur de l'invention, lesquels sont associés chacun à au moins un aiguilleur respectif de l'invention, les connexions entre les convertisseur continu-continu et les aiguilleurs formant des mailles ou des étoiles, connectées de façon indépendante en parallèle ou en série.
15 L'onduleur de l'invention est utilisé pour fournir un signal alternatif de tension à la fréquence d'un réseau de distribution électrique, telle qu'à 50 ou 60Hz pour le réseau commun de distribution d'électricité du bâtiment, ou à toute autre fréquence pour un réseau électrique au sein d'un véhicule du type automobile, aéronautique, maritime, telle qu'à 400 Hz pour un 20 véhicule d'aviation. Dans toutes les réalisations décrites dans l'invention, les connexions au neutre et à la phase du réseau électrique peuvent être permutées.
25 Dans une extrapolation de la présente invention, il est possible d'associer au moins trois convertisseurs continu-continu, tels que décrits dans l'invention, à un aiguilleur triphasé comportant au moins trois interrupteurs, lequel aiguilleur triphasé dirige les arches d'ondes secteurs générées par les convertisseurs continu-continu vers un réseau électrique qui est 30 triphasé.
3033962 11 Dans une réalisation avantageuse, il est possible d'associer au moins trois onduleurs de l'invention, pour injecter l'énergie de la source continue connectée en amont des onduleurs, vers un secteur triphasé, en les 5 connectant lesdits onduleurs de préférence en étoile, et en les reliant tous au même neutre. Dans une application de l'invention, le courant injecté dans le réseau électrique d'énergie est contrôlé en valeur instantanée par une boucle 10 dont la consigne est donnée par une image de l'onde du réseau électrique d'énergie, afin d'améliorer son facteur de forme. Dans une application de l'invention, la détection de la phase du réseau électrique d'énergie, laquelle permet de caler les arches d'onde secteur, 15 est réalisée à l'aide d'un dispositif à accrochage de phase, dit PLL (phase locked loop), laquelle fonction peut être réalisée par exemple de façon analogique, ou de façon digitale, ou par programmation d'un processeur, soit par un mélange de ces solutions.
20 L'information sur la valeur instantanée ou sur la phase et l'amplitude de la tension du réseau électrique d'énergie, peut être transportée au convertisseur continu-continu, par exemple par signal radio, ou par un fil relié de préférence à un secondaire de transformateur alimenté en son primaire par le réseau électrique d'énergie, ou par une fibre optique, ou 25 par tout autre système de l'art. La présente invention est maintenant décrite à l'aide d'exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l'invention, et à partir des illustrations ci-jointes, dans lesquelles : 3033962 12 - La figure 1 représente une vue schématique de l'onduleur de l'invention associé à une source d'énergie continue ; - La figure 2 illustre une pluralité d'onduleurs de l'invention associés à plusieurs sources d'énergie ; 5 - Les figures 3 à 6 illustrent quatre modes de réalisation différents de l'onduleur ; - La figure 7 illustre l'utilisation de transistors bipolaires pour les interrupteurs du bloc d'aiguillage de l'onduleur de l'invention ; - La figure 8 illustre une variante de réalisation pour le convertisseur 10 continu-continu de l'onduleur de l'invention. L'onduleur 1 de tension de l'invention schématisé sur la figure 1 est destiné à relier une source d'énergie continue 2 délivrant une tension continue, par exemple un panneau photovoltaïque, à un réseau électrique 15 3 de tension alternative, par exemple le réseau usuel de distribution électrique sur lequel circule une tension alternative de 220V à la fréquence de 50 Hz. L'onduleur 1 est apte à délivrer, à partir du signal de tension continue de 20 la source d'énergie 2, un signal alternatif de tension dont la fréquence correspond à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique 3 sur lequel est destiné à être injecté ce signal de tension, le signal présentant également la même forme que le signal du réseau électrique.
25 Selon l'invention, l'onduleur 1 décrit ci-après procure un dispositif peu onéreux de fabrication et simple de mise en oeuvre, ce qui permet de pouvoir associer au regard d'une pluralité de panneaux photovoltaïques un onduleur par panneau photovoltaïque. La figure 2 illustre 30 schématiquement une pluralité de panneaux photovoltaïques 2A à 2C qui 3033962 13 sont connectés chacun au réseau électrique 3 via une pluralité d'onduleurs respectifs 1A à 1C de l'invention. En regard de la figure 1, l'onduleur 1 de l'invention comporte au moins un 5 convertisseur continu-continu 10 et au moins un bloc 11 d'interrupteurs selon l'invention comprenant au moins deux interrupteurs. Le convertisseur continu-continu 10 est connecté en amont au panneau 2 et en aval au bloc 11 d'interrupteurs, ce dernier étant relié en aval au réseau électrique 3.
10 Le convertisseur continu-continu 10 ne sera pas décrit en détail car connu en soi. Le convertisseur continu-continu comporte da façon avantageuse soit un hacheur CUK, soit un hacheur Fly-back, soit un convertisseur continu-alternatif-continu, avec ou sans transformateur intermédiaire.
15 Au regard d'un convertisseur continu-alternatif-continu, celui-ci est réalisé selon l'état de l'art, à l'aide d'un onduleur en demi-pont à condensateurs ou transformateur push-pull, ou de préférence en pont-complet, dont la sortie alternative est reliée à un primaire d'un premier transformateur, le 20 secondaire du transformateur est relié à un redresseur en pont complet à quatre diodes ou en demi-pont à deux diodes, reliées alors à un secondaire double d'un second transformateur. De façon avantageuse, dans le but de réduire les pertes en commutation, un condensateur est connecté sur la sortie alternative de l'onduleur.
25 Le bloc 11 d'interrupteurs de l'invention, dénommé aiguilleur, peut présenter différentes variantes dont quatre réalisations seront ci-après décrites.
3033962 14 Le convertisseur continu-continu selon l'invention a pour but de délivrer un signal de tension sous la forme d'arches d'onde à l'image de celles du secteur, par exemple d'arches de cosinus, qui sont modulées à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du signal circulant sur le 5 réseau électrique, tandis que le bloc 11 d'interrupteurs va permettre d'aiguiller le signal de tension en arches du convertisseur continu-continu vers l'un ou l'autre du ou des jeux d'interrupteurs pour que la tension sortant du bloc 11 soit une alternance d'arches positives et négatives à la fréquence du réseau électrique ou à un multiple de la fréquence.
10 Des moyens de commande 4 (figure 1) ou 4A à 4C (figure 2), et 5 (figure 1) ou 5A à 5C (figure 2), sont associés à l'onduleur 1 ou à chaque onduleur 1A à 1C pour commander respectivement les interrupteurs du convertisseur continu-continu 10 et les interrupteurs de l'aiguilleur 11.
15 Les moyens de commande 4 et 5 ne sont illustrés que sur les figures 1 et 2, pour simplifier les figures 3 à 6. Les moyens de commande 4 sont conçus selon l'état de l'art, afin de 20 fournir une onde modulée en largeur d'impulsion à l'entrée de l'aiguilleur 11. Les moyens de commande 5 contrôlent l'ouverture et la fermeture des interrupteurs du bloc 11 en fonction de la fréquence du réseau électrique 25 3. Pour cela, ils reçoivent le signal de tension du réseau électrique pour connaître la fréquence du réseau électrique tel que schématiquement illustré uniquement sur la figure 1. Les arches d'onde à l'image de celles du secteur fournies par le convertisseur continu-continu 10 sont calées en phase sur le réseau électrique, afin de permettre à ou aux aiguilleurs 11 30 de commuter sous contrainte en tension nulle.
3033962 15 Les moyens de commande 4 sont par exemple un transformateur ou bien un microcontrôleur, tel que du type DSP (« Digital Signal Processor » en anglais »), ou tout autre système de commande digitale ou analogique.
5 Pour les modes de réalisation des figures 3 à 6 au regard du bloc interrupteurs 11, l'onduleur 1 comporte un unique convertisseur continu-continu 10 pour les figures 3 et 4 ou du moins un convertisseur continu-continu global pour les figures 5 et 6. Ce convertisseur continu-continu 10 10 unique délivre en sortie à partir du signal continu délivré par la source d'énergie continue 2 (le panneau photovoltaïque) un signal de tension continu en arches d'onde secteur modulé à la période T/2, où T est la période du signal de tension du réseau électrique.
15 Les figures 3 et 4 illustrent un premier et un second mode de réalisation au regard du bloc 11 d'interrupteurs et du convertisseur continu-continu 10 qui est à sortie simple (figures 3 et 4). Les figures 5 et 6 illustrent deux autres modes de réalisation au regard du convertisseur continu-continu 10, celui-ci étant à sortie double symétrique en comprenant deux 20 convertisseurs continu-continu 10A et 10B. Le convertisseur continu-continu 10 des premier et seconds modes de réalisation des figures 3 et 4comporte une sortie simple présentant un potentiel légèrement supérieure à la tension du réseau électrique, afin 25 d'obtenir une injection d'énergie dans le réseau électrique. Le signal aux bornes du convertisseur continu-continu 10 est un signal continu en arches positifs d'onde secteur tel qu'illustré schématiquement sur les figures 3 et 4 sur la ligne du potentiel positif.
3033962 16 Le convertisseur continu-continu global 10 des troisième et quatrième modes de réalisation des figures 5 et 6, comportent deux convertisseurs continu-continu 10A et 10B, ayant chacun une sortie simple entre un potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux 5 convertisseurs continu-continu étant reliée à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur continu-continu. Le signal aux bornes du convertisseur continu-continu global 10 est un signal continu en arches sur la ligne du potentiel positif et sur la ligne du potentiel négatif.
10 Le signal aux bornes du convertisseur continu-continu 10 est un signal continu en arches positifs d'onde secteur tel qu'illustré schématiquement sur les figures 3 et 4 sur la ligne du potentiel positif, et sur la figure 5 sur la ligne du potentiel positif et sur la ligne du potentiel négatif.
15 Le bloc 11 d'interrupteurs permet de transformer ce signal continu d'arches positives, en un signal alternatif sinusoïdal équivalent à celui du réseau électrique, une arche positive sur deux du signal continu étant conservée tandis que l'arche positive intermédiaire est transformée en arche négative.
20 Le bloc 11 d'interrupteurs dans une un premier mode de réalisation illustré à la figure 3 comporte, à la manière d'un pont complet, deux paires d'interrupteurs en série Ti et T2, et respectivement T3 et T4, chaque paire étant en parallèle. Chaque paire Ti et T2, et T3 et T4, est reliée entre le 25 potentiel haut positif et le potentiel bas nul du convertisseur continu- continu 10. Le point milieu de chaque paire d'interrupteurs est relié au réseau électrique, le point milieu M1 des interrupteurs Ti et T2 étant relié à la phase P du réseau électrique tandis que l'autre point milieu M2 est relié au neutre N du réseau électrique.
30 3033962 17 Dans ce mode de réalisation, les interrupteurs sont de préférence des transistors bipolaires, car leur chute de tension à l'état passant en mode commuté est très faible.
5 La commande des interrupteurs est réalisée via les moyens 5, la fermeture d'un interrupteur haut d'une paire correspondant à l'ouverture de l'interrupteur bas de la même paire, tandis que concomitamment est fermé l'interrupteur bas de l'autre paire et ouvert l'interrupteur haut de cette même paire. La commande est effectuée à chaque demi-période du 10 réseau électrique. Ainsi, lorsque les interrupteurs Ti et T4 sont fermés, les interrupteurs T2 et T3 sont ouverts et vice-versa. Lorsque Ti et T4 sont fermés, le courant passe par l'interrupteur Ti, jusqu'au réseau électrique par la phase P et 15 revient jusqu'au convertisseur continu-continu 10 par le neutre N et à travers l'interrupteur fermé T4. Ti et T4 sont fermés au moment ou le signal de tension du réseau électrique est positif. Le signal de tension arrivant alors sur le réseau électrique 3 depuis le bloc 11 présente une arche positive de période T/2, T étant la période du réseau électrique.
20 Une fois la période T/2 passée (le signal de tension du réseau électrique passant en négatif), les moyens 5 commandent l'ouverture des interrupteurs Ti et T4 et la fermeture des interrupteurs T2 et T3. Le courant passe par l'interrupteur T3 jusqu'au neutre du réseau électrique et 25 revient jusqu'au convertisseur continu-continu 10 via la phase P et l'interrupteur T2, ce qui inverse le signe du signal de tension en sortie du bloc 11, l'arche positive devient alors une arche négative. A nouveau, après un temps T/2, on commande l'ouverture de T2 et T3 et la fermeture de Ti et T4, et ainsi de suite.
30 3033962 18 Ainsi, le signal de tension continu en arches positives en sortie du convertisseur continu-continu 10 est transformé en aval du bloc d'interrupteurs 11 en un signal de tension alternatif sinusoïdal (alternance d'arches positives et négatives) distribué sur le réseau électrique et 5 correspondant au signal du réseau électrique. Le deuxième mode de réalisation illustré sur la figure 4 correspond au premier mode de réalisation, hormis que les interrupteurs T3 et T4 de la seconde paire sont remplacés par des condensateurs Cl et C2, le bloc 11 10 formant un demi-pont. De la même manière que pour le premier mode de réalisation, à chaque demi-période T/2, on commande la fermeture de Ti et l'ouverture de T2 pour obtenir un signal de tension avec une arche positive, puis l'ouverture 15 de Ti et la fermeture de T2 pour obtenir un signal de tension avec une arche négative et ainsi de suite, fournissant depuis le signal continu en arches d'onde secteur positifs, un signal de tension alternatif sinusoïdal. La figure 5 illustre un troisième mode de réalisation : 20 - le convertisseur continu-continu global 10 comporte deux convertisseurs continu-continu 10A et 10B, ayant chacun une sortie simple entre un potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux convertisseurs continu-continu étant reliée à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur continu-continu. Ainsi, le convertisseur continu- 25 continu global 10 comporte une borne positive qui correspond à la borne positive, ici du premier convertisseur continu-continu 10A, et une borne de potentiel nul qui correspond au potentiel nul, ici du second convertisseur continu-continu 10B et qui constitue une ligne de potentiel négatif pour le signal de sortie. Le signal illustré schématiquement aux bornes du 3033962 19 convertisseur continu-continu global 10 est un signal continu en arches sur la ligne du potentiel positif et sur la ligne du potentiel négatif. - le bloc 11 comporte deux interrupteurs Ti et T2. L'interrupteur Ti est connecté d'une part au potentiel positif de sortie du convertisseur continu- 5 continu global 10 et d'autre part à la phase P du réseau électrique. Les deux sorties reliées l'une à l'autre de potentiel nul du premier convertisseur continu-continu 10A et du potentiel positif du second convertisseur continu-continu 10B sont reliées au neutre du réseau électrique. Enfin, l'interrupteur T2 est connecté en amont au potentiel nul 10 du convertisseur continu-continu global 10 et en aval à la phase P du réseau électrique. Sur la sortie positive du convertisseur continu-continu global 10, le signal de tension présente une forme en arches d'onde secteur positives de 15 période T/2 (T étant la période du réseau électrique). Sur la sortie négative du convertisseur continu-continu global 10, le signal de tension présente le même signal en arches d'onde secteur mais négatif. La commande des interrupteurs Ti et T2 est réalisée à chaque demi- 20 période T/2 où T est la période du réseau électrique, la fermeture de Ti correspondant à la durée pendant laquelle la tension sur le réseau électrique est positive et la fermeture de T2 correspondant à la durée pendant laquelle la tension sur le réseau électrique est négative.
25 Lorsque Ti est fermé, T2 est ouvert, le courant passe par Ti et le réseau électrique, puis revient par le neutre du réseau électrique jusqu'au convertisseur continu-continu global 10 procurant un signal de tension en sortie du bloc 11 avec une arche positive. Après une durée de T/2, on ouvre Ti pour fermer T2, le courant passe par le neutre du réseau 30 électrique et la phase du réseau électrique pour revenir via T2 jusqu'au 3033962 20 convertisseur continu-continu global 10, fournissant un signal de tension en sortie du bloc 11 avec une arche négative. Après T/2, on ouvre T2 et on referme Ti, et ainsi de suite, ce qui fournit un signal de tension alternatif sinusoïdal de période T.
5 La figure 6 illustre un quatrième mode de réalisation, identique en tous points au troisième mode de réalisation, à la différence près que les arches d'onde secteur fournies par chacun des convertisseurs continu-continu 10A et 10B sont discontinues. Dans cette réalisation 10 particulièrement astucieuse, les arches d'onde secteur fournies par la sortie positive du premier convertisseur continu-continu 10A sont sensiblement nulles lorsque Ti est ouvert, et réciproquement les arches d'onde secteur fournies par la sortie négative du second convertisseur continu-continu 10B sont sensiblement nulles lorsque T2 est ouvert. Cette 15 disposition divise par deux la contrainte en tension supportée par les interrupteurs Ti et T2 de l'aiguilleur 11, ce qui permet d'utiliser des transistors bipolaires classiques, à faible capacité en tension. Par conséquent, à partir de convertisseur continu-continu usuels et de 20 simples jeux d'interrupteurs, l'onduleur de l'invention permet de transformer, à moindre coût, la tension continue de la source d'énergie continue en un signal sinusoïdal de tension à la fréquence du réseau électrique sur lequel est injecté le signal de tension.
25 Dans une réalisation particulière, décrite ci-après à la figure 7, les interrupteurs du bloc d'aiguillage 11 utilisent des transistors bipolaires de type NPN. A titre d'exemple, chaque interrupteur Ti et T2 du bloc d'aiguillage 11 correspond ainsi à un transistor bipolaire 6. Chaque paire émetteur-base est alimentée indépendamment par un enroulement 30 secondaire d'un transformateur 7 dont le primaire est relié au secteur. Les 3033962 21 enroulements secondaires de chaque transformateur 7 sont connectés respectivement dans un sens qui permet de réaliser les modes d'injection de courant dans le secteur tels que décrits dans cette invention. Cette configuration simplifie considérablement la réalisation du bloc aiguilleur 5 11. De façon préférentielle, une diode 8 est connectée en antiparallèle sur chacune des terminaisons base-émetteur desdits transistors bipolaires 6, la cathode étant reliée à la base et l'anode étant reliée à l'émetteur. De façon préférentielle, une résistance 9 est connectée entre le secondaire de chaque transformateur 7 et la base ou l'émetteur du transistor bipolaire 10 6 qu'elle alimente. Dans une autre réalisation particulière, décrite à la figure 8, le convertisseur continu-continu global 10 du quatrième mode de réalisation, tel que décrit à la figure 6, est réalisé avec trois bras d'onduleurs pleine 15 onde modulé en trois niveaux, alimentant, pour le premier bras 10C (doté d'une paire d'interrupteurs électroniques T5 et T8) et le deuxième bras 10D (doté d'une paire d'interrupteurs électroniques T6 et T9), un enroulement primaire d'un premier transformateur haute-fréquence 70, et pour le deuxième bras 10D et le troisième bras 10E (doté d'une paire 20 d'interrupteurs électroniques T7 et T10) un enroulement primaire d'un second transformateur haute-fréquence 71, le deuxième bras est donc relié aux enroulements primaires des deux transformateurs 70 et 71. Chacun des secondaires desdits transformateurs 70 et 71 haute-fréquence est connecté (non illustré) à un redresseur à diodes 25 indépendant, en pont, demi-pont ou simple, comme l'état de l'art le propose. Dans ce mode de réalisation particulier, les transformateurs haute-fréquence 70 et 71 sont alimentés séparément l'un de l'autre, ce qui signifie que lorsque le premier reçoit un signal sur son primaire, le second ne reçoit sensiblement aucun signal, et réciproquement. L'annulation du 30 signal du primaire d'un transformateur s'obtient en envoyant sur les deux 3033962 22 bras auxquels il est relié, sensiblement le même signal en valeur instantanée, laquelle configuration s'obtient en commandant les interrupteurs électroniques desdits bras avec sensiblement les mêmes impulsions de commande. L'annulation du signal du primaire de chaque 5 transformateur permet de réaliser la fonction d'annulation du signal délivré par chacun des deux convertisseurs continu-continu, tel que décrite dans le quatrième mode de réalisation. Enfin, de façon préférentielle, ici illustré uniquement sur la figure 8, la 10 source d'énergie continue 2 est connectée à un condensateur de filtrage C de valeur suffisante, pour lisser la variation de la tension qu'elle fournit au convertisseur continu-continu 10, afin de compenser les variations de courant absorbé dans la source d'énergie continue induites par la modulation en arche du signal envoyé à l'aiguilleur 11.
15 De façon préférentielle, un algorithme d'optimisation de la puissance injectée au secteur, dit MPPT, est utilisé pour réguler le courant absorbé dans la source d'énergie continue et injecté dans le secteur.
20 De façon préférentielle un ou plusieurs filtres inductifs et/ou capacitifs sont placés entre les convertisseurs continu-continu 10 et/ou l'aiguilleur 11, ou entre l'aiguilleur 11 et le secteur.
Claims (9)
- REVENDICATIONS1. Onduleur (1) pour source d'énergie continue, apte à délivrer, à partir du signal de tension continue de la source d'énergie, un signal alternatif de tension dont la fréquence correspond à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique sur lequel est destiné à être injecté ce signal de tension, caractérisé en ce que l'onduleur comporte au moins un convertisseur continu-continu (10 ; 10A, 10B) qui est apte à fournir un signal de tension continu sous la forme d'arches qui sont modulées à la fréquence ou un multiple de la fréquence du signal circulant sur le réseau électrique, et en ce que l'onduleur comporte en aval du convertisseur continu-continu un bloc (11) dit d'aiguillage, comprenant au moins interrupteur, en particulier au moins deux interrupteurs (Ti, T2, T3, T4)), de préférence du type transistors bipolaires, dont la fonction est de laisser passer et bloquer le courant alternativement, en fonction de la polarité de la tension du réseau électrique, pour délivrer en sortie du bloc sur le réseau électrique, un signal de tension à la fréquence ou à un multiple de la fréquence du réseau électrique, lequel signal a une forme correspondant à la forme du signal du réseau électrique.
- 2. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un unique convertisseur continu-continu (10) comportant une sortie simple entre un potentiel nul, et un potentiel positif, le convertisseur continu-continu étant apte à produire un signal de sortie qui est continu et en arches d'ondes positives, tandis que les interrupteurs du bloc d'aiguillage (11) sont au nombre de quatre (Ti, T2, T3, T4) répartis en pont complet, c'est-à-dire selon deux bras agencés en parallèle de deux interrupteurs placés en série (Ti, T2 ; T3, T4), chacun des deux bras étant connectés en amont entre les potentiels nul et positif du convertisseur continu-continu et en aval, le 3033962 24 point milieu de chaque bras étant destiné à être connecté au réseau électrique, en particulier le point milieu (M1) du premier bras étant destiné à être connecté à la phase du réseau électrique tandis que le point milieu (M2) du second bras est destiné à être connecté au neutre 5 du réseau électrique.
- 3. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte un unique convertisseur continu-continu (10) comportant une sortie simple entre un potentiel nul, et un potentiel positif, le signal de sortie étant continu et en arches d'ondes du secteur, et en ce que les 10 interrupteurs du bloc d'aiguillage (11) sont au nombre de deux répartis en demi-pont, selon un bras comprenant deux interrupteurs (Ti, T2) placés en série et connectés entre le potentiel nul et le potentiel positif, et deux condensateurs (Cl, C2) en série qui sont agencés en parallèle des deux interrupteurs, le point milieu (M1) du bras d'interrupteurs et le 15 point milieu (M2) des condensateurs étant destiné à être connecté au réseau électrique, en particulier le point milieu (M1) du premier bras des interrupteurs étant destiné à être connecté à la phase du réseau électrique tandis que le point milieu(M2) du second bras des condensateurs est destiné à être connecté au neutre du réseau 20 électrique.
- 4. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux convertisseurs continu-continu (10A, 10B), de préférence identiques, ayant chacun une sortie simple entre un potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux 25 convertisseurs continu-continu étant reliée à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur continu-continu, afin de former un convertisseur continu-continu global (10) symétrique fournissant deux signaux symétriques, l'un positif et l'autre négatif, lesquels signaux ont une valeur moyenne continue et sont modulés de façon sensiblement 30 symétrique chacun en arches d'onde secteur, tandis que les 3033962 25 interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de deux dont un interrupteur (Ti) est connecté en amont au potentiel positif du premier convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique, et l'autre interrupteur (T2) est connecté en 5 amont au potentiel positif du second convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique.
- 5. Onduleur selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte deux convertisseurs continu-continu (10A, 10B), de préférence identiques, ayant chacun une sortie simple entre un 10 potentiel nul et un potentiel positif, la sortie positive de l'un des deux convertisseurs continu-continu étant reliée à la sortie du potentiel nul de l'autre convertisseur continu-continu, afin de former un convertisseur continu-continu global (10) symétrique fournissant deux signaux symétriques, l'un positif et l'autre négatif, lesquels signaux ont 15 une valeur moyenne continue et sont modulés de façon sensiblement symétrique chacun en arches d'onde du secteur, et en ce que les deux convertisseurs continu-continu sont contrôlés pour fournir des arches d'onde discontinues positives et respectivement négatives de manière alternée, c'est-à-dire que le convertisseur continu-continu qui fournit le 20 signal positif est activé lorsque la tension du réseau électrique est positive, et fournit un signal sensiblement nul lorsque ladite tension du réseau électrique est négative, et réciproquement pour le second convertisseur continu-continu qui fournit le signal négatif, celui-ci étant activé lorsque la tension du réseau électrique est négative, tandis que 25 les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de deux dont un interrupteur (Ti) est connecté en amont au potentiel positif du premier convertisseur continu-continu et en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique, et l'autre interrupteur (T2) est connecté en amont au potentiel positif du second convertisseur continu-continu et 30 en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique. 3033962 26
- 6. Ensemble comprenant une pluralité de sources d'énergie continue (2A, 2B, 2C) et au moins un onduleur, caractérisé en ce que chaque source d'énergie continue (2A, 2B, 2C) est reliée en aval à un onduleur respectif (1A, 1B, 1C) selon l'une quelconque des 5 revendications 1 à
- 7. 7. Ensemble comprenant un onduleur (1) selon l'une des revendications 1 à 5 et des moyens de commande (4, 5) contrôlant l'ouverture et la fermeture des interrupteurs de l'onduleur, les moyens de commande (4, 5) recevant les informations du réseau électrique 10 relative à la fréquence et la polarité de la tension du réseau électrique.
- 8. Ensemble comprenant une pluralité de sources d'énergie continue et plusieurs onduleurs selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que chaque source d'énergie continue est reliée en aval à un onduleur, en particulier chaque source d'énergie est 15 connectée à au moins un convertisseur continu-continu respectif d'un onduleur, lesquels sont associés chacun à au moins un aiguilleur respectif, les connexions entre les convertisseur continu-continu et les aiguilleurs formant des mailles ou des étoiles, connectées de façon indépendante en parallèle ou en série. 20
- 9. Utilisation d'un onduleur selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'il fournit un signal alternatif de tension à la fréquence d'un réseau électrique de distribution électrique, telle qu'à 50 ou 60Hz pour le réseau électrique commun de distribution d'électricité du bâtiment, ou à toute autre fréquence pour 25 un réseau électrique au sein d'un véhicule du type automobile, aéronautique, maritime, telle qu'à 400 Hz pour un véhicule d'aviation.
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| FR1552337A FR3033962A1 (fr) | 2015-03-20 | 2015-03-20 | Onduleur pour source d’energie continue |
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2016
- 2016-03-18 WO PCT/FR2016/050610 patent/WO2016151223A1/fr active Application Filing
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