WO2016151223A1 - Onduleur pour source d'energie continue - Google Patents

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WO2016151223A1
WO2016151223A1 PCT/FR2016/050610 FR2016050610W WO2016151223A1 WO 2016151223 A1 WO2016151223 A1 WO 2016151223A1 FR 2016050610 W FR2016050610 W FR 2016050610W WO 2016151223 A1 WO2016151223 A1 WO 2016151223A1
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WO
WIPO (PCT)
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converter
electrical network
inverter
signal
positive
Prior art date
Application number
PCT/FR2016/050610
Other languages
English (en)
Inventor
François BERNOT
Rodret Charles MBIKOU MOUTSINGA
John Edwin MORALES MORALES
Yann Pankow
Original Assignee
Francecol Technology
Laborelec
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Francecol Technology, Laborelec filed Critical Francecol Technology
Publication of WO2016151223A1 publication Critical patent/WO2016151223A1/fr

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/008—Plural converter units for generating at two or more independent and non-parallel outputs, e.g. systems with plural point of load switching regulators

Definitions

  • the invention relates to an inverter for transforming a DC voltage from a DC power source into an AC voltage for injection into an AC power distribution network, such as providing a sinusoidal voltage.
  • effective value 1 10 V or 230 V or 400 V.
  • Said electricity network will be indifferently called “sector” or “electrical network” in the following description.
  • inverter is understood to mean a device whose function is to transform a continuous signal into an alternating signal, which signal may correspond to a voltage or a current, indifferently to the input and the output.
  • voltage signal may be replaced by the term "current signal” for devices using indifferently input current sources, or a converter topology using intermediate current sources, or a network imposing its current.
  • current signal for devices using indifferently input current sources, or a converter topology using intermediate current sources, or a network imposing its current.
  • continuous energy source is intended to mean a source of energy delivering a constant DC voltage or a pulsed DC voltage, or derived from a rectified AC source, such as a DC rectified AC generator. an active or passive rectifier.
  • the invention is described with regard to an electrical voltage network, that is to say an electrical network that imposes the instantaneous value of the voltage, and undergoes the current that is delivered / injected.
  • an electrical voltage network that is to say an electrical network that imposes the instantaneous value of the voltage, and undergoes the current that is delivered / injected.
  • she is as good applicable to a power grid.
  • the technical means of the invention relating as will be seen later to DC-DC converters and a device called "switchman” will be adapted so that the DC-DC converters used can impose on the switchman either a voltage or a current, for the purpose of delivering and imposing on the electrical network either a voltage or a current.
  • the term "signal" will relate to the voltage or current.
  • the invention will be more particularly described with regard to photovoltaic panels as dc power sources, without being limited thereto. It will apply to all other sources of continuous energy, such as renewable energy sources other than solar, such as wind power, or other sources, such as a hydrogen fuel cell, an electricity grid, edge in a motor vehicle, aeronautics, or an electrochemical electrical energy storage battery, or a super-capacitor, etc.
  • sources of continuous energy such as renewable energy sources other than solar, such as wind power, or other sources, such as a hydrogen fuel cell, an electricity grid, edge in a motor vehicle, aeronautics, or an electrochemical electrical energy storage battery, or a super-capacitor, etc.
  • An inverter downstream of photovoltaic panels makes it possible to transform the DC voltage coming from the panels into an alternating voltage signal at the frequency of the usual electrical distribution network in order to inject the energy of the panels onto said electrical network.
  • the inverter associated with photovoltaic panels operates on the principle of pulse width modulation (commonly known as MLI or PWM), the input signal of the inverter is the continuous output signal of the panels. which is transformed via the inverter into a signal in the form of slots whose width is modulated to correspond to the frequency or to a multiple frequency of the electrical network, 50 Hz.
  • a filter is generally associated with the output of the inverter to provide a signal in the form of sinusoid.
  • a chopper is placed at the top of the inverter, in order to change the level of the voltage supplied by the DC source (the solar panels), which voltage remains a continuous signal to be converted into a modulated signal at the frequency of the electrical network, or at a multiple frequency.
  • the panels are connected electrically to each other in parallel or in series and are connected to a single central inverter which receives the energy each of the panels and transforms it, to be injectable directly on the electrical network.
  • a centralized inverter is used for several photovoltaic panels in order not to multiply the number of inverters, whose unit cost is high. But the panels need to be connected electrically in series or in parallel, it results in the costs of hand expensive installation during the installation which is long to make the multiple connections.
  • the centralized inverter does not make it possible to separate the elementary operations of each panel, which poses a problem of loss of efficiency in the event of shading localized to a few panels (due to a tree, a chimney for example), or case of damage to one or more panels.
  • the connection of several photovoltaic panels on the same inverter leads to the obligation to select panels of the same performance, to minimize imbalances between them, to mitigate a loss of efficiency of the overall installation.
  • the object of the invention is therefore to propose an inverter for a continuous energy source as well as a device that manages several energy sources, which make it possible to solve the aforementioned drawbacks, in particular to provide a monitoring of the operation of each source of energy. energy, while advantageously providing a reduction in the costs of the injection of energy into the electricity grid, and by optimizing the efficiency of each energy source.
  • the invention can provide other advantages such as the galvanic isolation between a power source and the usual power distribution network, the lightning shock resistance on the energy source, the limitation of the voltage between the power source and the power supply. energy source and earth, the possibility of adding additional energy sources later to an installation, and the possibility of physically integrating an inverter into a panel.
  • the inverter for a continuous energy source is capable of delivering, from the DC voltage signal of the energy source, a alternating voltage signal whose frequency corresponds to the frequency or to a multiple of the frequency of the electrical network on which this voltage signal is intended to be injected, and is characterized in that the inverter comprises at least one DC-DC converter which is capable of providing a DC voltage signal in the form of arcs which are modulated at the frequency or a multiple of the frequency of the signal flowing on the electrical network, and in that the inverter comprises downstream of the DC converter.
  • switching comprising at least one switch, in particular at least two switches, preferably of the bipolar transistors type, whose function is to pass and block the alternating current, depending on the polarity of the voltage of the electrical network , to output the block on the electrical network, a voltage signal at the frequency or at a multiple of the frequency of the network el electrical signal, which signal has a shape corresponding to the shape of the signal of the electrical network.
  • the electric waveform of said electrical network is typically cosine or sinus shaped, but may have any other shape, depending on the electrical networks considered, such as a three harmonic injection. Said form is composed of alternately positive and negative arches, which are referred to herein as sector wave arches.
  • the signal delivered to the electrical network by the switchman will correspond to the form of the signal of the electrical network.
  • the DC-DC converter is used specifically to produce a continuous signal reproducing the waveform of the electrical energy distribution network, which may correspond for the public electricity grid to wave arches.
  • the block of switches has the role of pointing the signal in arches from the DC-DC converter, and this alternately to the mains frequency to produce an alternating signal of opposite polarity in arches at the frequency of the sector.
  • the inverter comprises a single DC-DC converter having a simple output between a zero potential, and a positive potential, the DC-DC converter being able to produce an output signal which is continuous and in arches of positive waves, while the switches of the switching block are four in number distributed in full bridge, that is to say in two arms arranged in parallel with two switches placed in series, each of the two arms being connected upstream between the null and positive potentials of the DC-DC converter and downstream, the midpoint of each arm being intended to be connected to the electrical network, in particular the midpoint of the first arm being intended to be connected to the phase of the electrical network while the midpoint of the second arm is intended to be connected to the neutral of the electrical network.
  • said simple arches with half-bridge switch comprises a single DC-DC converter having a simple output between a zero potential, and a positive potential, the output signal being continuous and in positive sector wave arches, and the switches of the switching block are two divided into half-bridge, according to an arm comprising two switches placed in series and connected between the null potential and the positive potential, and two capacitors in series which are arranged in parallel of the two switches, the midpoint of the switch arm and the midpoint of the capacitors being intended to be connected to the network electrical, in particular the midpoint of the first arm of the switches being intended to be connected to the phase of the electrical network while the midpoint of the second arm of the capacitors is intended to be connected to the neutral of the electrical network.
  • the inverter comprises two DC-DC converters, preferably identical, each having a simple output between a zero potential and a positive potential, the positive output of one of the two DC-DC converters connected to the zero potential output of the other DC-DC converter, to form a symmetrical global DC-DC converter providing two symmetrical signals, one positive and the other negative, which signals have a continuous average value and are modulated substantially symmetrically each in mains wave arches, while the switches of the switching block are two in number, one switch is connected upstream to the positive potential of the first DC-DC converter and downstream intended to be connected to the phase of the electrical network, and the other switch is connected upstream to the positive potential of the second DC-DC converter and downstream intended to be connected to the phase of the electrical network.
  • said symmetrical single arches, the inverter and the switchman are made in the same way as in the third realization said symmetrical double arches, but the sector wave arches of each of the two converters continuous-dc connected to the switch are zero half time, in a complementary way, that is, the DC-DC converter which supplies the positive signal is activated when the voltage of the electrical network is positive, and provides a substantially zero signal when said voltage of the electrical network is negative, and vice versa for the second converter.
  • DC-DC that provides the negative signal, which is activated when the voltage of the electrical network is negative, and providing a substantially zero signal when said power grid voltage is positive.
  • the inverter thus comprises two DC-DC converters, preferably identical, each having a simple output between a null potential and a positive potential, the positive output of one of the two DC-DC converters being connected to the zero potential output of the other DC-DC converter, to form a symmetrical global DC-DC converter providing two symmetrical signals, one positive and the other negative, which signals have a continuous average value and are substantially symmetrically modulated each in sector wave arches, and in that the two DC-DC converters are controlled to provide alternating positive and negative negative wave arcs alternately, i.e.
  • the DC-DC converter which supplies the positive signal is activated when the voltage of the electrical network is positive, and provides a signal sensibly t zero when said voltage of the electrical network is negative, and vice versa for the second DC-DC converter which supplies the negative signal, the latter being activated when the voltage of the electrical network is negative, while the switches of the switching block are two of which a switch is connected upstream to the positive potential of the first DC-DC converter and downstream intended to be connected to the phase of the electrical network, and the other switch is connected upstream to the positive potential of the second. DC-DC converter and downstream intended to be connected to the phase of the electrical network.
  • the switches of the switching block are bipolar transistors, either simple, or associated with a diode mounted in antiparallel, or associated with a diode connected in series, or associated with two diodes, one mounted in antiparallel, with another diode mounted in series on the assembly formed by the transistor and its antiparallel diode.
  • the DC / DC converters comprise a CUK chopper, or Fly-back.
  • each DC-DC converter comprises a wave inverter associated with a transformer and a diode rectifier.
  • Said diode rectifier can be made with one, two or four diodes, mounted in half bridge or full bridge, according to the rules of the state of the art.
  • a capacitor is placed on the AC terminations of said inverter, which capacitor has a relative value of substantially 0.1% and 10% in reduced units, ie it would consume an equivalent reactive energy in sinusoidal mode, substantially between 0.1% and 10% of the active power controlled by the inverter.
  • no isolation transformer is used in the DC-DC converter.
  • the invention also relates to an assembly comprising the inverter of the invention and control means controlling the opening and closing of the switches of the inverter (switches of the DC-DC converter and the switching block), the control means receiving the information of the electrical network relating to the frequency and the polarity of the voltage of the electrical network in order to control the switches at the right moment.
  • the invention also relates to an assembly comprising a plurality of continuous energy sources and several inverters of the invention, characterized in that each DC energy source is connected downstream to a respective inverter of the invention, in each energy source is connected to at least one respective DC-DC converter of an inverter of the invention, each of which is associated with at least one respective switcher of the invention, the connections between the DC-DC converter and controllers forming meshes or stars, independently connected in parallel or in series.
  • the inverter of the invention is used to provide an alternating voltage signal at the frequency of an electrical distribution network, such as at 50 or 60 Hz for the common electricity distribution network of the building, or any other frequency for an electrical network within a vehicle of the automotive, aeronautical, maritime type, such as 400 Hz for an aviation vehicle.
  • the connections to the neutral and the phase of the electrical network can be switched.
  • at least three DC-DC converters as described in the invention, with a three-phase switch having at least three switches, which three-phase switch directs the arches of the sector waves. generated by DC-DC converters to an electrical network that is three-phase.
  • at least three inverters of the invention to inject the energy of the DC source connected upstream of the inverters, to a three-phase sector, by connecting them said inverters preferably in a star, and connecting them all to the same neutral.
  • the current injected into the electrical energy network is controlled in instantaneous value by a loop whose setpoint is given by an image of the wave of the electric energy network, in order to improve its form factor.
  • the detection of the phase of the electrical energy network is carried out using a device with phase hooking, called PLL (phase locked loop), which function can be performed for example analogically, or digitally, or by programming a processor, or by a mixture of these solutions.
  • PLL phase locked loop
  • the information on the instantaneous value or on the phase and the amplitude of the voltage of the electrical energy network can be transported to the DC-DC converter, for example by radio signal, or by a wire connected preferably to a secondary one. transformer powered primary sound by the power grid, or by an optical fiber, or by any other system of the art.
  • FIG. 1 represents a schematic view of the inverter of the invention associated with a source of continuous energy
  • FIG. 2 illustrates a plurality of inverters of the invention associated with several energy sources
  • FIG. 7 illustrates the use of bipolar transistors for the switches of the inverter switching block of the invention
  • FIG. 8 illustrates an alternative embodiment for the DC-DC converter of the inverter of the invention.
  • the voltage inverter 1 of the invention shown schematically in FIG. 1 is intended to connect a continuous energy source 2 delivering a DC voltage, for example a photovoltaic panel, to an AC voltage network 3, for example the network.
  • a continuous energy source 2 delivering a DC voltage, for example a photovoltaic panel
  • an AC voltage network 3 for example the network.
  • the inverter 1 is capable of delivering, from the DC voltage signal of the energy source 2, an alternating voltage signal whose frequency corresponds to the frequency or to a multiple of the frequency of the electrical network 3 on which is this signal voltage is injected, the signal also having the same shape as the signal of the electrical network.
  • the inverter 1 described below provides an inexpensive device for manufacturing and simple implementation, which allows to be associated with a plurality of photovoltaic panels an inverter by photovoltaic panel.
  • FIG. 2 schematically illustrates a plurality of photovoltaic panels 2A to 2C which are each connected to the electrical network 3 via a plurality of respective inverters 1A to 1C of the invention.
  • the inverter 1 of the invention comprises at least one DC-DC converter 10 and at least one block 11 of switches according to the invention comprising at least two switches.
  • the DC-DC converter 10 is connected upstream to the panel 2 and downstream to the block 1 1 of switches, the latter being connected downstream to the electrical network 3.
  • the DC-DC converter 10 will not be described in detail because known per se.
  • the DC-DC converter advantageously comprises either a CUK chopper, a Fly-back chopper, or a DC-DC converter, with or without an intermediate transformer.
  • a DC-DC converter this is produced according to the state of the art, using a half-bridge capacitor inverter or push-pull transformer, or preferably in bridge-complete, whose alternative output is connected to a primary of a first transformer, the secondary of the transformer is connected to a full bridge rectifier with four diodes or half-bridge with two diodes, then connected to a secondary double d a second transformer.
  • a capacitor is connected to the AC output of the inverter.
  • the block 1 1 of switches of the invention may have different variants of which four embodiments will be described below.
  • the DC-DC converter according to the invention aims to deliver a voltage signal in the form of wave arches in the image of those of the sector, for example cosine arches, which are modulated at the frequency or at a multiple of the frequency of the signal flowing on the electrical network, while the block 1 1 of switches will allow to direct the voltage signal in arches of the DC-DC converter to one or the other of the sets of switches so that the voltage coming out of the block 1 1 is an alternation of positive and negative arches at the frequency of the electrical network or a multiple of the frequency.
  • Control means 4 (FIG. 1) or 4A to 4C (FIG. 2) and 5 (FIG. 1) or 5A to 5C (FIG. 2) are associated with inverter 1 or with each inverter 1A at 1C for controlling respectively the switches of the DC-DC converter 10 and the switches of the switch 1 1.
  • control means 4 and 5 are illustrated only in FIGS. 1 and 2, to simplify FIGS. 3 to 6.
  • the control means 4 are designed according to the state of the art, in order to provide a modulated pulse width wave at the input of the switch 11.
  • the control means 5 control the opening and closing of the switches of the block 1 1 as a function of the frequency of the electrical network 3. For this, they receive the voltage signal from the electrical network to know the frequency of the electrical network as schematically shown only in Figure 1.
  • the wave arches in the image of those of the sector provided by the DC-DC converter 10 are stalled in phase on the electrical network, to allow or routers 1 1 to switch under stress in zero voltage.
  • the control means 4 are for example a transformer or a microcontroller, such as DSP type ("Digital Signal Processor" in English "), or any other digital or analog control system.
  • the inverter 1 comprises a single DC-DC converter 10 for FIGS. 3 and 4 or at least one global DC-DC converter for FIGS. 6.
  • This single DC-DC converter 10 outputs from the DC signal delivered by the DC power source 2 (the photovoltaic panel) a DC voltage arc voltage signal modulated at the period T / 2, where T is the period of the voltage signal of the electrical network.
  • Figures 3 and 4 illustrate a first and a second embodiment with respect to the block 11 of switches and the DC-DC converter 10 which is single output ( Figures 3 and 4).
  • FIGS. 5 and 6 illustrate two other embodiments with regard to the DC-DC converter 10, the latter being a double balanced output comprising two DC-DC converters 10A and 10B.
  • the DC-DC converter 10 of the first and second embodiments of FIGS. 3 and 4 comprises a single output having a potential slightly greater than the voltage of the electrical network, in order to obtain an injection of energy into the electrical network.
  • the signal at the terminals of the DC-DC converter 10 is a continuous signal in positive sector wave arcs as schematically illustrated in FIGS. 3 and 4 on the positive potential line.
  • the overall DC-DC converter 10 of the third and fourth embodiments of FIGS. 5 and 6, comprise two DC-DC converters 10A and 10B, each having a single output between a zero potential and a positive potential, the positive output of the one of the two DC-DC converters being connected to the zero potential output of the other DC-DC converter.
  • the signal at the terminals of the overall DC-DC converter 10 is a continuous signal in arches on the positive potential line and the negative potential line.
  • the signal at the terminals of the DC-DC converter 10 is a continuous signal in positive wave arches as shown diagrammatically in FIGS. 3 and 4 on the positive potential line, and in FIG. 5 on the positive potential line. and on the negative potential line.
  • the block 1 1 of switches makes it possible to transform this continuous signal of positive arches into a sinusoidal alternating signal equivalent to that of the electrical network, with one positive arch of two of the continuous signal being retained while the intermediate positive arch is transformed into negative arch.
  • the block 1 1 of switches in a first embodiment illustrated in Figure 3 comprises, in the manner of a complete bridge, two pairs of switches in series T1 and T2, and respectively T3 and T4, each pair being in parallel.
  • Each pair T1 and T2, and T3 and T4 is connected between the high positive potential and the low zero potential of the DC-DC converter 10.
  • the middle point of each pair of switches is connected to the electrical network, the midpoint M1 of the switches T1 and T2 being connected to the phase P of the electrical network while the other midpoint M2 is connected to the neutral N of the electrical network.
  • the switches are preferably bipolar transistors, since their voltage drop in switched mode in the switched state is very low.
  • the control of the switches is carried out via the means 5, the closing of a high switch of a pair corresponding to the opening of the low switch of the same pair, while concomitantly is closed the bottom switch of the other pair and open the top switch of that same pair.
  • the control is carried out at each half-period of the electrical network.
  • T1 and T4 are closed, the switches T2 and T3 are open and vice versa.
  • T1 and T4 are closed, the current passes through the switch T1 to the mains by the phase P and returns to the DC-DC converter 10 through the neutral N and through the closed switch T4.
  • T1 and T4 are closed when the power grid voltage signal is positive.
  • the voltage signal then arriving on the electrical network 3 from the block 1 1 has a positive ark of period T / 2, T being the period of the electrical network.
  • the means 5 control the opening of the switches T1 and T4 and the closing of the switches T2 and T3.
  • the current passes through the switch T3 to the neutral of the electrical network and returns to the DC-DC converter 10 via the phase P and the switch T2, which inverts the sign of the voltage signal at the output of the block 1 1 the positive ark then becomes a negative ark.
  • T / 2 controls the opening of T2 and T3 and the closing of T1 and T4, and so on.
  • the DC voltage signal in positive arches at the output of the DC-DC converter 10 is transformed downstream of the switch block 11 into a sinusoidal alternating voltage signal (alternation of positive and negative arcs) distributed over the electrical network and corresponding to the signal of the electrical network.
  • the second embodiment illustrated in FIG. 4 corresponds to the first embodiment, except that the switches T3 and 14 of the second pair are replaced by capacitors C1 and C2, the block 1 1 forming a half-bridge.
  • the closing of T1 and the opening of 12 are commanded to obtain a voltage signal with a positive arch, then the opening of T1 and the closing 12 to obtain a voltage signal with a negative ark and so forth, providing from the continuous signal in positive sector wave arches, a sinusoidal alternating voltage signal.
  • FIG. 5 illustrates a third embodiment
  • the global DC-DC converter comprises two DC-DC converters 10A and 10B, each having a simple output between a zero potential and a positive potential, the positive output of one of the two DC-DC converters being connected to the output zero potential of the other DC-DC converter.
  • the overall DC-DC converter 10 comprises a positive terminal which corresponds to the positive terminal, here of the first DC-DC converter 10A, and a null potential terminal which corresponds to the null potential, here of the second DC-DC converter 10B and which constitutes a negative potential line for the output signal.
  • the signal illustrated schematically at the terminals of global DC-DC converter 10 is a continuous signal in arches on the positive potential line and the negative potential line.
  • the block 1 1 has two switches T1 and T2.
  • the switch T1 is connected on the one hand to the positive output potential of the overall DC-DC converter 10 and on the other hand to the phase P of the electrical network.
  • the two outputs connected to each other of zero potential of the first DC-DC converter 10A and the positive potential of the second DC-DC converter 10B are connected to the neutral of the electrical network.
  • the switch T2 is connected upstream to the zero potential of the overall DC-DC converter 10 and downstream to the phase P of the electrical network.
  • the voltage signal On the positive output of the overall DC-DC converter 10, the voltage signal has a shape in positive sector wave arcs of period T / 2 (T being the period of the power grid). On the negative output of the overall DC-DC converter 10, the voltage signal has the same signal in sector but negative wave arcs.
  • T is the period of the electrical network
  • T2 is open
  • the current goes through T1 and the electrical network, then returns through the neutral of the power supply network to the overall DC-DC converter 10 providing a voltage signal at the output of the block 1 1 with an arch positive.
  • T1 After a duration of T / 2, T1 is opened to close T2, the current passes through the neutral of the electrical network and the phase of the electrical network to return via T2 to global DC-DC converter 10, providing a voltage signal at the output of the block 11 with a negative arc.
  • T / 2 we open T2 and close T1, and so on, which provides a sinusoidal alternating voltage signal of period T.
  • FIG. 6 illustrates a fourth embodiment, identical in all respects to the third embodiment, with the difference that the mains wave arches provided by each of the DC-DC converters 10A and 10B are discontinuous.
  • the mains wave arches provided by the positive output of the first DC-DC converter 10A are substantially zero when T1 is open, and reciprocally the mains wave arcs provided by the negative output of the second DC-DC converter.
  • continuous 10B are substantially zero when T2 is open.
  • This arrangement halves the voltage stress supported by the switches T1 and T2 of the switch 11, which allows the use of conventional bipolar transistors with low voltage capacity.
  • the inverter of the invention makes it possible to transform, at lower cost, the DC voltage of the DC power source into a sinusoidal voltage signal. at the frequency of the electrical network on which the voltage signal is injected.
  • the switches of the switching block 1 1 use bipolar transistors of the NPN type.
  • each switch T1 and T2 of the switching block 1 1 thus corresponds to a bipolar transistor 6.
  • Each transmitter-base pair is supplied independently by a secondary winding of a transformer 7 whose primary is connected to the mains .
  • the secondary windings of each transformer 7 are respectively connected in a direction which makes it possible to carry out the current injection modes in the sector as described in this invention.
  • a diode 8 is connected in antiparallel on each of the base-emitter terminations of said bipolar transistors 6, the cathode being connected to the base and the anode being connected to the emitter.
  • a resistor 9 is connected between the secondary of each transformer 7 and the base or the emitter of the bipolar transistor 6 that it supplies.
  • the overall DC-DC converter 10 of the fourth embodiment, as described in FIG. 6, is made with three wave arms of three-level modulated, feeding, for the first arm 10C (equipped with a pair of electronic switches T5 and T8) and the second arm 10D (equipped with a pair of electronic switches T6 and T9), a primary winding of a first high-frequency transformer 70, and for the second arm 10D and the third arm 10E (with a pair of electronic switches T7 and T10) a primary winding of a second high-frequency transformer 71, the second arm is connected to the primary windings of two transformers 70 and 71.
  • Each of the secondary of said high-frequency transformers 70 and 71 is connected (not shown) to an independent diode rectifier, bridge, half-bridge or single, as the state of the art proposes.
  • the high-frequency transformers 70 and 71 are fed separately from one another, which means that when the first receives a signal on its primary, the second receives substantially no signal, and vice versa.
  • the canceling of the primary signal of a transformer is obtained by sending on both arm to which it is connected, substantially the same instantaneous value signal, which configuration is obtained by controlling the electronic switches of said arms with substantially the same control pulses.
  • the cancellation of the primary signal of each transformer makes it possible to perform the function of canceling the signal delivered by each of the two DC-DC converters, as described in the fourth embodiment.
  • the continuous energy source 2 is connected to a filtering capacitor C of sufficient value to smooth the variation of the voltage it supplies to the DC-DC converter 10 , in order to compensate for the variations of current absorbed in the continuous energy source induced by the arch modulation of the signal sent to the switch 1 1.
  • an energy optimization algorithm injected into the sector is used to regulate the current absorbed in the DC energy source and injected into the sector.
  • MPPT energy optimization algorithm
  • one or more inductive and / or capacitive filters are placed between the DC-DC converters 10 and / or the switch 11, or between the switch 11 and the sector.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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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 1 10 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 puisée, 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 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 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. 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 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 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 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 fréquence multiple du réseau électrique, 50 Hz. Un filtre est généralement 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, 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. 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 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 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.
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 d'œuvre 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 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 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 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 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 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 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, et est caractérisé en ce que l'onduleur comporte au moins un convertisseur continu-continu 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 bloc dit d'aiguillage comprenant au moins un interrupteur, en particulier au moins deux interrupteurs, 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.
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 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. 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 d'interrupteurs a pour rôle d'aiguiller le signal en arches issu du 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. Cette configuration d'onduleur permet de fournir un dispositif peu onéreux de fabrication et simple de mise en œuvre pour constituer un onduleur pour chaque panneau photovoltaïque, répondant en particulier aux inconvénients précités. 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 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 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. 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 de deux répartis en demi-pont, selon un bras comprenant deux 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 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. 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 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 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.
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 à l'aiguilleur sont nulles la moitié du temps, de façon complémentaire, 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 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 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 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 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 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 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 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. 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 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 % 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 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 continu-continu et du bloc d'aiguillage), les moyens de commande 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. 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 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. 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 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. 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 triphasé. 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 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 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, 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. 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 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 : - 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 ;
- 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 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 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 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.
Selon l'invention, l'onduleur 1 décrit ci-après procure un dispositif peu onéreux de fabrication et simple de mise en œuvre, ce qui permet de pouvoir associer au regard d'une pluralité de panneaux photovoltaïques un onduleur par panneau photovoltaïque. La figure 2 illustre schématiquement une pluralité de panneaux photovoltaïques 2A à 2C qui sont connectés chacun au réseau électrique 3 via une pluralité d'onduleurs respectifs 1A à 1 C de l'invention.
En regard de la figure 1 , l'onduleur 1 de l'invention comporte au moins un 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 1 1 d'interrupteurs, ce dernier étant relié en aval au réseau électrique 3.
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.
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 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.
Le bloc 1 1 d'interrupteurs de l'invention, dénommé aiguilleur, peut présenter différentes variantes dont quatre réalisations seront ci-après décrites. 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 réseau électrique, tandis que le bloc 1 1 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 1 1 soit une alternance d'arches positives et négatives à la fréquence du réseau électrique ou à un multiple de la fréquence.
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 1 C pour commander respectivement les interrupteurs du convertisseur continu-continu 10 et les interrupteurs de l'aiguilleur 1 1 .
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 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 1 1 en fonction de la fréquence du réseau électrique 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 1 1 de commuter sous contrainte en tension nulle. 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.
Pour les modes de réalisation des figures 3 à 6 au regard du bloc interrupteurs 1 1 , 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 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. 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 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 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. 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 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. 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. Le bloc 1 1 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.
Le bloc 1 1 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 T1 et T2, et respectivement T3 et T4, chaque paire étant en parallèle. Chaque paire T1 et T2, et T3 et T4, est reliée entre le 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 T1 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. 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. 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 réseau électrique.
Ainsi, lorsque les interrupteurs T1 et T4 sont fermés, les interrupteurs T2 et T3 sont ouverts et vice-versa. Lorsque T1 et T4 sont fermés, le courant passe par l'interrupteur T1 , jusqu'au réseau électrique par la phase P et revient jusqu'au convertisseur continu-continu 10 par le neutre N et à travers l'interrupteur fermé T4. T1 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 1 1 présente une arche positive de période T/2, T étant la période du réseau électrique.
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 T1 et T4 et la fermeture des interrupteurs T2 et T3. Le courant passe par l'interrupteur T3 jusqu'au neutre du réseau électrique et 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 1 1 , 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 T1 et T4, et ainsi de suite. 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 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 14 de la seconde paire sont remplacés par des condensateurs C1 et C2, le bloc 1 1 formant un demi-pont.
De la même manière que pour le premier mode de réalisation, à chaque demi-période 112, on commande la fermeture de T1 et l'ouverture de 12 pour obtenir un signal de tension avec une arche positive, puis l'ouverture de T1 et la fermeture de 12 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 :
- 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- 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 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 1 1 comporte deux interrupteurs T1 et T2. L'interrupteur T1 est connecté d'une part au potentiel positif de sortie du convertisseur continu- 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 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 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 T1 et T2 est réalisée à chaque demi- période T/2 où T est la période du réseau électrique, la fermeture de T1 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. Lorsque T1 est fermé, T2 est ouvert, le courant passe par T1 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 1 1 avec une arche positive. Après une durée de T/2, on ouvre T1 pour fermer T2, le courant passe par le neutre du réseau électrique et la phase du réseau électrique pour revenir via T2 jusqu'au 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 T1 , et ainsi de suite, ce qui fournit un signal de tension alternatif sinusoïdal de période T.
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 particulièrement astucieuse, les arches d'onde secteur fournies par la sortie positive du premier convertisseur continu-continu 10A sont sensiblement nulles lorsque T1 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 disposition divise par deux la contrainte en tension supportée par les interrupteurs T1 et T2 de l'aiguilleur 1 1 , 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 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. Dans une réalisation particulière, décrite ci-après à la figure 7, les interrupteurs du bloc d'aiguillage 1 1 utilisent des transistors bipolaires de type NPN. A titre d'exemple, chaque interrupteur T1 et T2 du bloc d'aiguillage 1 1 correspond ainsi à un transistor bipolaire 6. Chaque paire émetteur-base est alimentée indépendamment par un enroulement secondaire d'un transformateur 7 dont le primaire est relié au secteur. Les 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 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 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 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 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 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 signal du primaire d'un transformateur s'obtient en envoyant sur les deux 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 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 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 1 1 .
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. De façon préférentielle un ou plusieurs filtres inductifs et/ou capacitifs sont placés entre les convertisseurs continu-continu 10 et/ou l'aiguilleur 1 1 , ou entre l'aiguilleur 11 et le secteur.

Claims

REVENDICATIONS
1 . 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 (1 1 ) dit d'aiguillage, comprenant au moins interrupteur, en particulier au moins deux interrupteurs (T1 , 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 (1 1 ) sont au nombre de quatre (T1 , T2, T3, T4) répartis en pont complet, c'est-à-dire selon deux bras agencés en parallèle de deux interrupteurs placés en série (T1 , 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 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 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 interrupteurs du bloc d'aiguillage (1 1 ) sont au nombre de deux répartis en demi-pont, selon un bras comprenant deux interrupteurs (T1 , T2) placés en série et connectés entre le potentiel nul et le potentiel positif, et deux condensateurs (C1 , C2) en série qui sont agencés en parallèle des deux interrupteurs, le point milieu (M1 ) du bras d'interrupteurs et le 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 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 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 symétrique chacun en arches d'onde secteur, tandis que les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de deux dont un interrupteur (T1 ) 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 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 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 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 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 les interrupteurs du bloc d'aiguillage sont au nombre de deux dont un interrupteur (T1 ) 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 en aval destiné à être connecté à la phase du réseau électrique.
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, 1 B, 1 C) selon l'une quelconque des 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 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 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.
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 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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