Réalisation d'un onduleur synchrone au secteur (pour réinjection)

[fdamien12]

Bonjour,

Cela fait quelques temps que j'aimerais apprendre à réaliser un onduleur synchrone permettant réinjecter de l'énergie sur le secteur.
La source d'énergie sera un panneau photovoltaïque, je pense partir sur quelques dizaines de W (autour de 40W).

Sur le principe, ce n'est pas bien compliqué : il "suffit" de connecter un pont en H sur le réseau (éventuellement à travers un transfo 50Hz) et de réguler le courant qu'il délivre pour qu'il soit sinusoïdal et en phase avec le secteur.
J'utiliserai pour cette première version un transfo 50Hz 230V/12V pour ne pas avoir à hacher la tension crête du secteur qui est élevée et avoir une isolation galvanique.

Je le rappelle, c'est un bricolage personnel à but pédagogique. Il n'a pas pour vocation de fonctionner plus longtemps que la durée nécessaire pour le mettre au point. Aussi, on pourra laisser de côté les aspects normatifs et légaux... C'est la technique qui m'intéresse.

Voilà comment je pense m'y prendre :
- Un algorithme MPPT détermine si on consomme un courant inférieur ou supérieur au courant optimal du panneau solaire
- Un générateur de sinus génère une onde sinusoïdale qui sera le courant réinjecté sur le réseau. A chaque cycle, sa valeur efficace est augmentée ou diminuée légèrement selon le résultat de l'algo MPPT.
- Une boucle PID (certainement seulement PI) asservit le courant réel délivré par le pont en H à la consigne obtenue grâce au générateur de sinus
- Un système à définir synchronise le générateur de sinus sur le secteur et arrête la réinjection en cas de problème (secteur absent)

C'est de cette dernière partie dont j'aimerais discuter. J'ai pensé à 3 possibilités :
1) mesurer la tension du secteur qui devient directement l'image du courant à injecter.
C'est une solution qui me paraît excessivement simple, mais pourrait tenir la route : on est forcément en phase et en cas de disparition du secteur, la tension qui s'écroule réduit d'autant le courant réinjecté. Quelques vérifications simples (fréquence, amplitude de la tension, etc) peuvent ensuite couper complètement le système.
En contrepartie, si la tension secteur est déformée, on va réinjecter un courant déformé aussi... c'est dommage.

2) détecter le passage par zéro du secteur et créer un signal sinusoïdal dont la fréquence est corrigée par ces passages par zéro.
Avec cette solution, le sinus n'est pas déformé. Cela me paraît être un bon compromis entre performances et simplicité. Notamment, il n'est pas nécessaire de mesurer la tension instantanée, seulement détecter le passage par zéro.


3) verrouiller une PLL sur la fréquence du secteur
C'est la solution qui est utilisée ici : https://www.instructables.com/Grid-Tie-Inverter/ (step 6)
Toutefois, elle me paraît bien complexe. D'ailleurs, je n'ai pas bien compris comment était réalisée le comparateur de phase...

Ma question est :
- voyez-vous un avantage significatif à utiliser la troisième méthode par rapport à la deuxième ?

Merci d'avance.
-----

[polo974]

La pll permet de synchroniser un oscillateur sur une fréquence, même si elle est salement bruitée (et accessoirement d'avoir un oscillateur qui permettra un fonctionnement hors réseau, mais attention, danger)...

Le principe: si on part du principe que le secteur, c'est Le sinus, si on génėre le cosinus, et qu'on fait le produit, on obtient une composante continue nulle. Donc on filtre ce produit et on asservi en visant ce 0.

Enfin, tout ça, c'est fait dans le code du (gros) microcontroleur (du projet donné en lien).

La pll permet de réaliser un "filtrage" (indispensable) en maîtrisant la phase, ce qui est quand même important ici...

[Antoane]

Bonjour,

Il existe diverse facons de faire, et leur étude a fait l'objet de nombreuses thèses pour optiomiser la qualité de l'énergie, éviter les problèmes de stabilitée, en particulier sur un réseau "faible", avec une forte proportion de puissance injectée via des onduleurs

La PLL est le plus propre, mais pas trivial à mettre en oeuvre.

La méthode la plus simple consiste à mesurer la tension secteur et à utiliser un controle à hystérésis pour injecter un courant ayant la même forme d'onde que le secteur. Avec cette méthode, il y a deux boucles de controle non imbriquées :
- Le MPPT assure une injection de puissance maximale sur le bus DC
- un correcteur PI controle l'amplitude du courant AC injecté sur le réseau pour que la tension du bus DC soit maintenue à sa puissance nominale

C'est un TP classique en école d'ingé, tu devrais trouver pas mal de littérature en cherchant "redresseur MLI".

Les PFC de base mesurent la tension secteur instantannée et absorbent un courant proportionnel.

> J'utiliserai pour cette première version un transfo 50Hz 230V/12V pour ne pas avoir à hacher la tension crête du secteur qui est élevée et avoir une isolation galvanique.
12 V.... C'est beaucoup de courant. je passerait plutot sur 48 V, qui reste raisonnable, toute en permettant d'utiliser des composants 100V, et d'avoir de bons mosfets.

[Gyrocompas]

Bonjour,
Le suivi du réseau européen montre que la fréquence est de 50Hz +/_ 0.050 Hz avec une stabilité bonne sur plusieurs secondes.
Une mesure cycle par cycle en suivant leur durée devrait faire l'affaire, l'erreur ne devrait pas avoir de grosses conséquences sur quelques cycles.
L'utilisation de cette valeur dans un système de moyenne glissante devrait limiter les sautes de phase.
Un alternateur EdF pèse 150 tonnes, il n'accélère pas comme une F1.
D'autre part, les consommateurs sont rares quand la tension est basse, on constate un rabotage dans la zone du maxi du réseau, certainement par la présence de beaucoup d'appareils électroniques sans PFC.

[A voir en vidéo sur Futura]

[fdamien12]

Bonjour à tous et merci pour votre réponse.

La pll permet de synchroniser un oscillateur sur une fréquence, même si elle est salement bruitée (et accessoirement d'avoir un oscillateur qui permettra un fonctionnement hors réseau, mais attention, danger)...

OK, par contre je ne vois pas comment la PLL peut fonctionner sans son signal de référence.

Le principe: si on part du principe que le secteur, c'est Le sinus, si on génėre le cosinus, et qu'on fait le produit, on obtient une composante continue nulle. Donc on filtre ce produit et on asservi en visant ce 0.

Enfin, tout ça, c'est fait dans le code du (gros) microcontroleur (du projet donné en lien).

La pll permet de réaliser un "filtrage" (indispensable) en maîtrisant la phase, ce qui est quand même important ici...

Tu veux dire que cela permet d'asservir la phase au sein même d'une période ?

Bonjour,

Il existe diverse facons de faire, et leur étude a fait l'objet de nombreuses thèses pour optiomiser la qualité de l'énergie, éviter les problèmes de stabilitée, en particulier sur un réseau "faible", avec une forte proportion de puissance injectée via des onduleurs

La PLL est le plus propre, mais pas trivial à mettre en oeuvre.

La méthode la plus simple consiste à mesurer la tension secteur et à utiliser un controle à hystérésis pour injecter un courant ayant la même forme d'onde que le secteur. Avec cette méthode, il y a deux boucles de controle non imbriquées :
- Le MPPT assure une injection de puissance maximale sur le bus DC
- un correcteur PI controle l'amplitude du courant AC injecté sur le réseau pour que la tension du bus DC soit maintenue à sa puissance nominale

C'est un TP classique en école d'ingé, tu devrais trouver pas mal de littérature en cherchant "redresseur MLI".

Les PFC de base mesurent la tension secteur instantannée et absorbent un courant proportionnel.

> J'utiliserai pour cette première version un transfo 50Hz 230V/12V pour ne pas avoir à hacher la tension crête du secteur qui est élevée et avoir une isolation galvanique.
12 V.... C'est beaucoup de courant. je passerait plutot sur 48 V, qui reste raisonnable, toute en permettant d'utiliser des composants 100V, et d'avoir de bons mosfets.

Je suis assez d'accord avec toi, peux-tu juste préciser ce que tu appelles un contrôle à hystérésis pour injecter le courant ? Je pensais partir sur un contrôleur PI (d'ailleurs, tu en parles ensuite).

D'autre part, les consommateurs sont rares quand la tension est basse, on constate un rabotage dans la zone du maxi du réseau, certainement par la présence de beaucoup d'appareils électroniques sans PFC.

Je vois bien du rabotage dont tu parles, mais je ne comprends pas ce que tu veux dire ici : "les consommateurs sont rares quand la tension est basse".

A+

[Antoane]

Bonjour,

> Je suis assez d'accord avec toi, peux-tu juste préciser ce que tu appelles un contrôle à hystérésis pour injecter le courant ? Je pensais partir sur un contrôleur PI (d'ailleurs, tu en parles ensuite).
Le PI dont je parle a un temps de réponse "très grand" (>20 ms), de manière a fixer l'amplitude (ie la valeur RMS) du courant et à ne pas réagir aux oscillations à 100 Hz du bus.
Le controleur à hystéresis assure que la valeur instantanée du courant (moins le bruit de découpage) suit la valeur instantanée de la tension secteur.

[Gyrocompas]

Bonjour,

e vois bien du rabotage

J'ai eu autrefois des cours d'électronique où des transformateurs utilisaient des ponts de diodes pour fournir l'énergie derrière pour réaliser une fonction.
Les condensateurs se chargeaient dans la durée courte autour du maxi.
Les composants aujourd'hui permettent un redressement direct sur le réseau suivi d'un convertisseur, ce qui revient au même.

Les pilotages des fours, moteurs font appel à des dispositifs électroniques qui augmentent cette tendance.
La sinusoïde pure vers le secteur est-elle indispensable, des salves de puissance autour du maxi peuvent renvoyer une puissance équivalente.

Info secteur(*) :https://www.swissgrid.ch/fr/home/ope...frequency.html

(*) Le nombre de tours quotidiesn des alternateurs est suivi pour garder la synchronisation d'horloges basées sur le 50 Hz, l'erreur apparaît.

[polo974]

Bonjour à tous et merci pour votre réponse.

OK, par contre je ne vois pas comment la PLL peut fonctionner sans son signal de référence.

Pas la pll, mais l'oscillateur...

Tu veux dire que cela permet d'asservir la phase au sein même d'une période ?

A+

Non, je veux dire qu'un filtre a un déphasage qui dépend des tolérances des composants (condos surtout), alors qu'une pll, elle alligne les phases...

[jiherve]

bonsoir
indépendamment des considérations techniques il faudra que ce convertisseur soit homologué pour pouvoir être raccordé au secteur du moins en France.
Et çà c'est une autre affaire!
JR

[titijoy3]

bonsoir
indépendamment des considérations techniques il faudra que ce convertisseur soit homologué pour pouvoir être raccordé au secteur du moins en France.
Et çà c'est une autre affaire!
JR

+1, je m'étonnais que personne n'en parle !

[Forhorse]

Comme souvent, avant de participer, c'est bien de lire le sujet (et pas en diagonale)

Je le rappelle, c'est un bricolage personnel à but pédagogique. Il n'a pas pour vocation de fonctionner plus longtemps que la durée nécessaire pour le mettre au point. Aussi, on pourra laisser de côté les aspects normatifs et légaux... C'est la technique qui m'intéresse.

[Gyrocompas]

Bonjour,

c'est bien de lire le sujet

Egalement analyser les données.
Quelle est la variation de période correspondante à l'excursion de fréquence du réseau ? (voir #7)
A comparer avec celle envisagée pour le pwm nécessaire pour réaliser la commande...

[titijoy3]

Comme souvent, avant de participer, c'est bien de lire le sujet (et pas en diagonale)

donc, le demandeur veut concevoir un onduleur produisant un courant sinusoïdal pur pouvant être synchronisé sur le réseau pour ne pas l'utiliser..
pourquoi pas ?

[fdamien12]

Bonjour,
Le PI dont je parle a un temps de réponse "très grand" (>20 ms), de manière a fixer l'amplitude (ie la valeur RMS) du courant et à ne pas réagir aux oscillations à 100 Hz du bus.
Le controleur à hystéresis assure que la valeur instantanée du courant (moins le bruit de découpage) suit la valeur instantanée de la tension secteur.

OK compris. Ici, tu proposes un contrôleur à hystéresis pour réguler la valeur instantanée du courant. Je pensais partir sur un PI, mais pourquoi pas.

Bonjour,

J'ai eu autrefois des cours d'électronique où des transformateurs utilisaient des ponts de diodes pour fournir l'énergie derrière pour réaliser une fonction.
Les condensateurs se chargeaient dans la durée courte autour du maxi.
Les composants aujourd'hui permettent un redressement direct sur le réseau suivi d'un convertisseur, ce qui revient au même.

Les pilotages des fours, moteurs font appel à des dispositifs électroniques qui augmentent cette tendance.
La sinusoïde pure vers le secteur est-elle indispensable, des salves de puissance autour du maxi peuvent renvoyer une puissance équivalente.

Ok, je n'avais pas pensé à renvoyer salement de la puissance seulement autour de la crête du secteur, le THD sera exécrable. L'objectif est d'apprendre, alors autant apprendre à faire les choses bien. Mais je note l'idée

donc, le demandeur veut concevoir un onduleur produisant un courant sinusoïdal pur pouvant être synchronisé sur le réseau pour ne pas l'utiliser..
pourquoi pas ?

Exactement ! L'objectif n'est pas de fabriquer un produit destiné à être utilisé en conditions réelles, mais d'apprendre à le réaliser. Je pense que c'est très formateur.

Quoi qu'il en soit, merci à tous de vos réponses, je pense avoir relativement bien cerné le sujet. Je n'ai pas énormément de temps libre aussi la réalisation de ce projet s'étalera certainement sur plusieurs mois, mais je ne manquerai pas de vous tenir informés.

A+

[Gyrocompas]

Bonjour,

autant apprendre à faire les choses bien

Avant de répondre, prenez quand même le temps nécessaire à la réflexion.
Votre onduleur peut renvoyer 0watt dans le réseau sauf au moment de la pointe.
L'énergie renvoyée correspondra à la pointe de consommation.
Avant de parler de THD, comparez la puissance renvoyée avec celle circulant sur le réseau...
N'oubliez pas de nous éclairer sur la mise en phase de votre onduleur(moyens) comparé à la stabilité du réseau.
La théorie c'est bien, mais il faut rapidement tenir compte des contraintes liées à la réalité.

[Antoane]

Bonjour,

> OK compris. Ici, tu proposes un contrôleur à hystéresis pour réguler la valeur instantanée du courant. Je pensais partir sur un PI, mais pourquoi pas.
L'avantage est la simplicité, la stabilité, l'absence de réglage.
L'inconvéniant majeur (dans une application réelle) est la fréquence de dßecoupage variable, qui complexifie le filtrage EMI.

La synchronisation sur la tension secteur est relativement triviale, et c'est ainsi qu'on procèderait pour un petit onduleur (<10 kW, à la louche), par exemple pour du PV. Si l'objectif est de faire une version à échelle rédite d'une instalation haute puissance, alors il faut passer par un PLL, une modulation ad-hoc (SPWM ou SVM), et le control nécessaire (droop control, etc.). C'est une autre affaire

[titijoy3]

le panneau fournissant quelques dizaines de Watts, je crois qu'on peut effectivement parler de petit onduleur, voire de pico onduleur..

@fdamien,

c'est en effet pédagogiquement très intéressant et je vais suivre ce fil de près

[JLB29]

Bonne discution, mais qui me survolle...
Je ne propose pas de réponse, mais une autre question:
Je projette d'utiliser des panneaux photovoltaïques qui alimenteronst (entre autre) un onduleur.
Lorsqu'il y a assez de soleil, l'onduleur alimente une partie de la maison qui se déconnecte du réseau EDF.
La nuit ou lorsqu'il n'y a, pas assez d'énergie, on se reconnecte au secteur.
Pas de problème particulier pour l'éclarage, et le chauffe eau qui sont résistifs. Par contre, tous les moteurs, compresseurs etc posent problème en cas de panne secteur.
Bien sur, l'onduleur prend le relais (s'il est alimenté). Mais lors du retour secteur (surtout si la coupure fut longue) l'onduleur et le secteur ne sont plus en phase ! Comment ne pas perturber les moteurs (et autres) ?
En coupant l'alimentation pendant que les moteurs s'arrêtent ? (des secondes ou des minutes ?)

Ou en modifiant progressivement la fréquence générée par l'onduleur jusqu'à se caller sur la phase secteur ?
puis autoriser à nouveau l'utilisation secteur ou onduleur ?

Lors d'une panne secteur par grand froid, j'avais relié la maison au commun d'un relais, le repos à un groupe électrogène, le travail et la bobine au secteur; ce qui permit de basculer sur le secteur lorsqu'il fut rétabli (2 semaines plus tard...)
Je ne m'étais pas préoccupé de la perturbation des moteurs (frigo, congel etc) mais cela ne se produisit qu'une ou deux fois dans leur vie.

Toute proposition de solution est la bienvenue !

[titijoy3]

normalement, un onduleur solaire se cale automatiquement sur la fréquence secteur,

par contre, tous les onduleurs ne permettent pas de se déconnecter du réseau,

il est prudent de respecter un temps mort entre la reconnexion au réseau et la réalimentation des appareils, notamment les frigos, qui n'apprécient pas les coupures brèves, les alimentations à découpage n'aiment pas non plus cela, sauf si, comme dit plus haut, l'onduleur se cale tout seul, dans ce cas les appareils alimentés continueront à fonctionner sans coupure

[racard]

Lorsqu'il y a assez de soleil, l'onduleur alimente une partie de la maison qui se déconnecte du réseau EDF.

bonsoir non l'onduleur fonctionne en étant synchrone au secteur, on ne coupe rien c'est juste une histoire d'un noeud à 3 branches.
- secteur
- onduleur
- charges électriques(moteur, chauffage, lampes etc...)

[fdamien12]

Bonne discution, mais qui me survolle...
Je ne propose pas de réponse, mais une autre question:
Je projette d'utiliser des panneaux photovoltaïques qui alimenteronst (entre autre) un onduleur.
Lorsqu'il y a assez de soleil, l'onduleur alimente une partie de la maison qui se déconnecte du réseau EDF.
La nuit ou lorsqu'il n'y a, pas assez d'énergie, on se reconnecte au secteur.
Pas de problème particulier pour l'éclarage, et le chauffe eau qui sont résistifs. Par contre, tous les moteurs, compresseurs etc posent problème en cas de panne secteur.
Bien sur, l'onduleur prend le relais (s'il est alimenté). Mais lors du retour secteur (surtout si la coupure fut longue) l'onduleur et le secteur ne sont plus en phase ! Comment ne pas perturber les moteurs (et autres) ?
En coupant l'alimentation pendant que les moteurs s'arrêtent ? (des secondes ou des minutes ?)

Ou en modifiant progressivement la fréquence générée par l'onduleur jusqu'à se caller sur la phase secteur ?
puis autoriser à nouveau l'utilisation secteur ou onduleur ?

Lors d'une panne secteur par grand froid, j'avais relié la maison au commun d'un relais, le repos à un groupe électrogène, le travail et la bobine au secteur; ce qui permit de basculer sur le secteur lorsqu'il fut rétabli (2 semaines plus tard...)
Je ne m'étais pas préoccupé de la perturbation des moteurs (frigo, congel etc) mais cela ne se produisit qu'une ou deux fois dans leur vie.

Toute proposition de solution est la bienvenue !

Bonjour,
A priori, ta question n'a pas trop de rapport avec mon projet (accessoirement, que je n'ai absolument pas avancé... mais pas oublié pour autant), mais ça ne me dérange pas
Honnêtement, je ne sais pas si un saut de phase quotidien est tant problématique pour les moteurs. D'ailleurs, hormis les frigos, on n'a pas tant de moteurs dans une maison.

Mais pourquoi déconnecter une partie de la maison et la passer sur un onduleur offline ? Pour moi, ça a que des inconvénients :
- si la puissance PV est supérieure à la consommation des équipements branchés sur l'onduleur, l'excès de puissance est perdu alors qu'il pourrait alimenter d'autres appareils,
- à l'inverse, si tu consommes plus que ce que les panneaux peuvent fournir, tout se coupe.

Si c'est pour un usage réel, tu auras bien meilleur compte à utiliser un onduleur online. Les stations solaires plug and play ne coûtent plus grand-chose maintenant.

[Antoane]

Bonjour,

Mais pourquoi déconnecter une partie de la maison et la passer sur un onduleur offline ?
...

C'est aussi ma question, et plus généralement celle du contexte et de l'application. On peut imaginer diverses structures de réseau ou on intègre une source PV, le réseau enedis, et une charge, mais il faut en savoir plus pour choisir la meilleure.
On peut par exemple redresser le secteur avec un PFC/AFE, et s'en servir pour alimenter un onduleur créant un réseau.
On peut peut faire passer l'onduleur PV en mode "injection de puissance" (grid following - GFL, tel un onduleur PV de faible puissance courant) au mode "créateur de réseau / injection de tension" (grid forming - GFM, tel un onduleur prévu pour fonctionner en site isolé), avec un control ad-hoc, qiu se chargea de faire converger les phases lors de retour du secteur.

[Gyrocompas]

Bonjour,
En temps normal, la puissance est réinjectée dans le réseau domestique.
Si elle est suffisante, le compteur ne voit rien, dans le cas contraire, une répartition RTE - local va apparaître, en fonction des capacités des câbles.

La synchronisation est permanente, au début de chaque 1/2 cycle par la détection du passage à 0v du réseau domestique avant d'envisager d'émettre la puissance.
La surveillance de ce créneau temporel permet de déterminer la présence de l'énergie RTE.
Si elle réapparait pendant un cycle en cours, il faut que la surveillance de l'étage de puissance permette de limiter la puissance dans la valeur acceptable pendant 10 ms.
Un coefficient multiplicateur de 2 à 3 est à envisager.

[f6bes]

+1, je m'étonnais que personne n'en parle !

Il a dit des le départ que cela n'était pAS à prendre en compte !

4O watts...... EDF ne" regarde " meme pas.Aprés si on grille son matériel c'est pas leur probléme
A+
....

[polo974]

À f6bes, tu réponds à un message de 2023...

[racard]

À f6bes, tu réponds à un message de 2023...

c'est juste un problème de lunettes.
patience il va les retrouver ensuite il aura

[titijoy3]

Il a dit des le départ que cela n'était pAS à prendre en compte !

4O watts...... EDF ne" regarde " meme pas.Aprés si on grille son matériel c'est pas leur probléme
A+
....

onduleur homologué signifie entre autre qu'il doit se déconnecter du réseau en cas de coupure de celui ci.. ça me semble tout de même important pour les personnels edf !

même si le demandeur précisait que c'est juste à but éducatif, le bazard risque quand même d'être connecté au réseau

[f6bes]

À f6bes, tu réponds à un message de 2023...

C'est le défaut des....anciens !!!
Je vais mettre ça sur le dos des lunettes ( c'est pas elles qui porteront plaintes !!)
Bonne soirée

[f6bes]

c'est juste un problème de lunettes.
patience il va les retrouver ensuite il aura

Trés bonne réaction !
A+