Les onduleurs photovoltaïques reposent sur des composants de puissance et sur des condensateurs de liaison DC de grande capacité. Ces deux éléments peuvent être soumis à des contraintes électriques accrues en cas de pics de courant non maîtrisés. La limitation du courant d’appel est ainsi couramment mise en œuvre en complément des dispositifs de protection contre les surtensions afin d’améliorer la robustesse du système lors de la mise sous tension, des redémarrages et après des événements transitoires.
Points clés
- Les limiteurs de courant d’appel sont conçus pour limiter les surintensités de courte durée lors de la mise sous tension ou du redémarrage des équipements, ce qui peut contribuer à réduire les contraintes électriques sur les composants des systèmes solaires PV.
- Les surtensions liées à la foudre peuvent affecter les installations photovoltaïques par différents mécanismes de couplage et ne sont pas toujours entièrement prises en charge par les seuls dispositifs de protection contre les surtensions (SPD).
- Les concepts de limitation du courant d’appel à semi-conducteurs, sans thermistance NTC, sont adaptés à des cycles répétés et à des conditions de température ambiante élevées.
- Une stratégie de protection en couches associe généralement des SPD de type 1+2 à l’entrée AC et un limiteur de courant d’appel actif à proximité de l’entrée de l’onduleur.
- Les critères de sélection incluent le courant nominal, la capacité en courant de crête, le montage sur rail DIN, les mécanismes de dérivation intégrés et la conformité aux exigences CE et RoHS applicables.
Scénario de risque représentatif
Considérons une centrale photovoltaïque de grande puissance située dans une zone isolée et fonctionnant dans des conditions réseau normales. Un orage à proximité provoque un impact de foudre à plusieurs centaines de mètres. Bien que les SPD en amont limitent la tension maximale, une partie de l’énergie transitoire peut néanmoins se propager dans l’installation.
Lors de cet événement ou lors d’un redémarrage ultérieur les condensateurs d’entrée de l’onduleur peuvent être réalimentés de manière brusque. Cela peut générer un courant d’appel de forte amplitude et de courte durée. S’il n’est pas maîtrisé, ce phénomène peut accroître les contraintes électriques sur les composants de puissance. Ce type de situation explique pourquoi la limitation du courant d’appel est souvent envisagée en complément des protections classiques contre les surtensions.
ELa limitation du courant d’appel comme couche de protection complémentaire
Cet article analyse le rôle des limiteurs de courant d’appel dans une approche globale de protection des systèmes photovoltaïques. Ces dispositifs ne remplacent pas les SPD, mais les complètent en agissant sur les contraintes liées au courant lors des phases suivantes :
- mise sous tension,
- redémarrage,
- récupération après un événement de surtension.
Portée et objectifs de ce guide
Les sections suivantes :
- présentent les limites fonctionnelles des limiteurs de courant d’appel à base de thermistances NTC,
- décrivent des alternatives à commande électronique sans NTC,
- exposent des principes d’intégration dans les architectures d’onduleurs photovoltaïques.
L’objectif est d’accompagner des décisions de conception éclairées, axées sur la fiabilité opérationnelle et la disponibilité des systèmes.
Systèmes solaires photovoltaïques : densité de puissance et sensibilité
Les installations photovoltaïques modernes s’appuient largement sur l’électronique de puissance, notamment des IGBT et des MOSFET SiC. Les condensateurs de liaison DC assurent la stabilisation de la tension et le support des variations de charge. Lorsqu’ils sont alimentés, ces condensateurs absorbent un courant initial élevé, communément appelé courant d’appel.
En conditions normales, ce courant peut être maîtrisé à l’aide de dispositifs adaptés. Toutefois, les installations solaires sont fréquemment exposées à :
- des perturbations réseau répétées,
- de larges plages de température ambiante,
- des exigences élevées de disponibilité avec une maintenance limitée.
Les limiteurs basés sur des thermistances NTC fonctionnent selon un principe thermique. Après une mise sous tension récente ou une interruption, la thermistance peut rester chaude, ce qui réduit sa résistance et son efficacité lors d’un redémarrage rapide. Cet effet de « hot start » peut limiter la prévisibilité du comportement dans des applications exigeantes.
Effets de la foudre et des surtensions dans les installations PV
Les phénomènes liés à la foudre peuvent influencer les systèmes photovoltaïques par différents mécanismes :
- Surtensions conduites via les connexions au réseau,
- Tensions induites dans les longues liaisons AC ou DC,
- Élévation du potentiel de terre (GPR) modifiant les références de potentiel.
Les SPD dérivent les surtensions vers la terre, mais leur fonctionnement peut impliquer des courants de décharge élevés. Une énergie résiduelle peut alors atteindre des équipements en aval. Dans ce contexte, les limiteurs de courant d’appel peuvent contribuer à modérer les pics de courant aux entrées sensibles.
Caractéristiques des limiteurs de courant d’appel modernes
Les limiteurs de courant d’appel de qualité industrielle destinés aux applications critiques reposent généralement sur une commande électronique, plutôt que sur des éléments thermiques passifs.
Au-delà des solutions à base de NTC
Les thermistances NTC constituent une solution simple et économique pour des charges peu sollicitées. Leur temps de récupération thermique et leur capacité limitée à absorber l’énergie peuvent toutefois être contraignants en cas de cycles fréquents ou de conditions environnementales sévères.
Les limiteurs de courant d’appel sans NTC utilisent des circuits à commande active pour introduire une impédance de limitation définie lors de la mise sous tension. Après un court délai, un relais de dérivation intégré se ferme afin de réduire les pertes en régime établi. Une fois la dérivation active, le limiteur est prêt pour l’événement de commutation suivant.
Critères de conception pour les applications solaires
Lors du choix d’un limiteur de courant d’appel pour un système PV, les ingénieurs prennent généralement en compte :
- la capacité en courant de crête, notamment après l’activation des protections contre les surtensions,
- la compatibilité en tension d’entrée avec les spécifications de l’onduleur,
- la stabilité thermique sur la plage de températures prévue,
- l’intégration mécanique, par exemple le montage sur rail DIN et les borniers à vis,
- la conformité réglementaire, incluant le marquage CE et la directive RoHS.
Concept de protection en couches pour les systèmes photovoltaïques
Les architectures de protection sont souvent organisées par zones :
- Zone 0 : protection externe contre la foudre et mise à la terre,
- Zone 1 : SPD de type 1+2 à l’entrée du réseau AC,
- Zone 2 : limiteur de courant d’appel à l’entrée de l’onduleur,
- Zone 3 : protections internes côté DC et circuits de commande.
Chaque niveau vise à réduire les contraintes appliquées aux composants situés en aval. Dans cette structure, le limiteur de courant d’appel contribue à un comportement courant maîtrisé avant l’exposition des semi-conducteurs de puissance à des conditions transitoires.
Limiteurs NTC vs. non-NTC : vue d’ensemble
| Caractéristique | Limiteur à thermistance NTC | Limiteur électronique non-NTC |
|---|---|---|
| Principe de fonctionnement | Thermisch | Elektronisch gesteuert |
| Comportement au redémarrage | Abkühlzeit erforderlich | Direkt wieder einsatzbereit |
| Pertes en régime établi | Vorhanden | Reduziert durch Überbrückung |
| Répétabilité face aux surtensions | Hoch | Gering |
| Sensibilité à la température | Einfache Lasten | Anspruchsvolle, zyklische Anwendungen |
| Applications typiques | Charges simples, peu cyclées | Systèmes critiques ou à forte disponibilité |
Considérations opérationnelles et systèmes
À l’échelle du système, une limitation maîtrisée du courant d’appel peut contribuer à :
- réduire les contraintes sur les composants de l’onduleur,
- limiter les déclenchements intempestifs ou les redémarrages non aboutis,
- faciliter le dimensionnement des protections en amont.
Ces effets dépendent toutefois de l’architecture globale, des conditions environnementales et des pratiques de maintenance.
Perspectives d’évolution
Avec l’augmentation des niveaux de tension et la digitalisation croissante des systèmes photovoltaïques, les concepts de limitation du courant d’appel continuent d’évoluer. Parmi les orientations envisagées figurent :
- des interfaces de diagnostic pour la surveillance de l’état,
- la compatibilité avec des tensions système plus élevées,
- un recours accru aux technologies de commutation à semi-conducteurs.
Conclusion
Les limiteurs de courant d’appel constituent un élément fonctionnel d’une stratégie globale de protection électrique des installations photovoltaïques. Associés à des dispositifs de protection contre les surtensions correctement sélectionnés, ils peuvent contribuer à la maîtrise des contraintes de courant de courte durée liées aux événements de foudre et aux phases de redémarrage.
Une sélection rigoureuse des composants et une intégration adaptée restent essentielles pour aligner les performances attendues avec les conditions réelles d’exploitation.
