Sélection de la topologie PCS pour le stockage d'énergie 1 500 V : architecture à un étage ou ANPC

Architecture du système de décharge pour la conversion de tension à 1500 V
Le choix de la topologie du système de conversion de puissance détermine les performances de décharge et la plage de fonctionnement. Le passage d'architectures de stockage d'énergie de 1000 V à 1500 V réduit les coûts des équipements périphériques (BOP), augmente la densité de puissance et nécessite des conceptions d'onduleurs à semi-conducteurs optimisées pour une efficacité maximale.

Le choix de la topologie d'onduleur appropriée garantit une intégration fluide avec l'infrastructure du réseau ainsi qu'avec les installations solaires et de batteries résidentielles. Le fonctionnement à haute tension minimise les pertes en ligne lors des cycles de décharge, bien qu'une tension continue (DC) plus élevée impose une conception rigoureuse de l'isolation et un contrôle précis des semi-conducteurs.

Configurations de conversion à un étage ou à deux étages
Les ingénieurs évaluent deux configurations principales d'interface DC lors de la conception de systèmes de décharge haute tension. Les modèles de conversion à un étage et à deux étages présentent des compromis distincts en termes de nombre de composants, d'efficacité du système et de flexibilité de la plage de fonctionnement en entrée lors des cycles de décharge profonde.

La conversion à un étage relie directement les chaînes de batteries au pont de l'onduleur. Cette configuration offre une efficacité de pointe élevée et une architecture matérielle simplifiée, mais limite la flexibilité opérationnelle lors de l'association de batteries solaires pour des installations résidentielles soumises à des tensions de décharge variables.

La conversion à deux étages intègre un convertisseur DC/DC intermédiaire en amont de l'étage d'onduleur. Cet étage de puissance supplémentaire optimise l'adaptation de la tension DC sur une large plage d'état de charge (SoC), bien qu'il entraîne une complexité accrue de la boucle de régulation et une légère augmentation des pertes de conversion.

Élévation de tension à fréquence industrielle (50/60 Hz) ou connexion directe haute tension
La conception de la chaîne de décharge raccordée au réseau repose sur deux méthodes principales d'ajustement de la tension. Ce choix détermine l'encombrement physique, la protection par mise à la terre et les exigences d'isolation électrique, tant pour les installations à grande échelle que pour les systèmes de batteries solaires résidentiels.

Les systèmes à élévation de tension à fréquence industrielle utilisent des transformateurs lourds fonctionnant à la fréquence du réseau, placés après l'étage d'onduleur basse tension. Cette approche assure une isolation galvanique robuste et simplifie la protection contre les défauts, mais entraîne un poids et un encombrement importants, ainsi que des pertes fer.

Les systèmes à connexion directe haute tension suppriment les transformateurs élévateurs, générant une sortie alternative (AC) haute tension directement à partir de bus DC 1500 V. L'élimination des composants magnétiques réduit la taille de l'équipement et améliore l'efficacité globale de la décharge, tout en nécessitant des dispositifs de surveillance de l'isolation rapides.

Avantages de la topologie ANPC à trois niveaux pour une tension de 1500 V
Le fonctionnement à 1500 V rend les topologies d'onduleurs conventionnelles à deux niveaux inadaptées en raison des contraintes de tension imposées aux composants de commutation. La topologie ANPC (Active Neutral-Point-Clamped) à trois niveaux s'est imposée comme la norme matérielle pour les applications de stockage d'énergie haute tension. Les topologies ANPC fractionnent la liaison CC de 1 500 V en échelons de tension plus faibles, réduisant ainsi les pertes de commutation des interrupteurs ainsi que la distorsion harmonique totale du courant de sortie. Une contrainte thermique moindre permet une puissance de transfert plus élevée, garantissant un fonctionnement sûr, que ce soit pour des installations de stockage sur batterie à usage résidentiel ou à l'échelle du réseau.