Protéger votre système VE et solaire contre les surtensions

Les systèmes de recharge de véhicules électriques et les installations solaires photovoltaïques sont confrontés à un profil de risque de surtension différent de celui des charges électriques conventionnelles. Le flux de puissance bidirectionnel, la conversion fréquente de courant continu-AC et l'électronique de puissance dense rendent ces systèmes sensibles à la fois aux perturbations externes du réseau et aux transitoires générés en interne. Une protection efficace dépend de l'utilisation coordonnée et en couches d'un dispositif de protection contre les surtensions à travers les zones DC et AC, et non pas en fonction d'un seul point de défense.

Pourquoi les systèmes VE et solaires sont confrontés à un risque de surtension plus élevé

Les systèmes solaires photovoltaïques sont exposés du côté CC d'une manière que la plupart des installations électriques ne le sont pas. Les câbles longs de chaînes PV agissent comme des antennes pour des surtensions à forte croissance, tandis que des tensions de fonctionnement CC élevées réduisent la marge d'erreur lorsque des contraintes transitoires apparaissent. Même sans implication directe dans la foudre, les surtensions induites et liées à la commutation peuvent atteindre des niveaux dommageables.

Les onduleurs sont au centre de ce risque. Ils basculent en continu entre l'entrée DC et la sortie CA à l'aide de semi-conducteurs à puissance élevée. Ces appareils sont efficaces mais impitoyables. Les pointes de tension répétitives accélèrent l'usure de l'isolation, dégradent les jonctions semi-conductrices et raccourcissent la durée de vie avant que la défaillance catastrophique ne se produise.

Les chargeurs EV ajoutent une autre couche de vulnérabilité. Du point de vue de la grille, un chargeur de VE n'est pas une charge passive. Il s'agit d'un système de conversion de puissance contrôlé avec des redresseurs, des condensateurs de liaison CC, une logique de contrôle et des interfaces de communication. Les événements de commutation de réseau, les défauts de service ou les opérations à grande charge à proximité peuvent injecter des perturbations qui se propagent directement dans ces étapes sensibles.

Surtout, de nombreux événements dommageables ne sont pas dramatiques. La commutation de routine, l'engagement de la banque de condensateurs ou la commutation des onduleurs peuvent générer des surtensions qui s'accumulent au fil du temps. Ce rappel est important, car les stratégies de protection doivent s'attaquer à des transitoires fréquents et modérés, et non seulement à des extrêmes rares.

Stratégie de protection contre les surtensions pour les systèmes solaires photovoltaï

La protection contre les surtensions dans les installations solaires doit être abordée par les zones du système plutôt que par les composants individuels. Chaque zone a un profil d'exposition différent et nécessite un rôle de protection spécifique.

Protection côté DC entre les chaînes PV et l'onduleur

Le côté CC d'un système PV est alimenté en continu pendant la journée et fonctionne souvent à des centaines ou des milliers de volts. Un SPD DC correctement sélectionné installé entre le réseau PV et l'onduleur fournit un chemin contrôlé pour que l'énergie transitoire s'éloigne des entrées d'inverseur.

Points clés à considérer :

• Les circuits DC subissent une tension soutenue, le SPD doit donc être conçu spécifiquement pour le comportement DC.
  
• La longueur du câble et le routage augmentent l'exposition aux transitoires induits.
  
• Une protection proche de l'onduleur limite la tension résiduelle qui atteint l'électronique sensible.
  

A Dispositif de protection contre les surtension Pour les circuits de panneaux solaires, il ne s'agit pas d'arrêter les surtensions, mais de limiter la tension à un niveau que l'onduleur peut tolérer à plusieurs reprises.

Protection côté CA à la sortie de l'onduleur

Une fois la puissance convertie en courant alternatif, la sortie de l'onduleur devient exposée à des perturbations d'origine du réseau. La commutation d'événements en amont, les défauts des services publics ou les charges industrielles à proximité peuvent introduire des surtensions qui remontent vers l'onduleur.

Un SPD AC installé à la sortie de l'onduleur ou à l'interface de distribution principale sert à serrer ces surtensions avant qu'ils ne mettent en pression l'étage de sortie de l'inverseur et la liaison CC interne. Ceci est particulièrement important dans les systèmes reliés par le réseau où la puissance circule dans les deux sens en fonction des conditions de fonctionnement.

Pourquoi la coordination entre DC et AC SPD est importante

Les périphériques côté DC et AC côté ne fonctionnent pas indépendamment. Une mauvaise coordination peut entraîner un partage d'énergie inégale, un stress excessif sur un seul appareil ou une tension résiduelle élevée atteignant l'onduleur.

Une bonne coordination assure :

• Le SPD côté DC gère les transitoires d'origine.
  
• Le SPD AC côté gère les perturbations d'origine de la grille.
  
• Les tensions résiduelles sont progressivement réduites à mesure que les surtensions se propagent à travers le système.
  

Rôle du dispositif de protection contre les surtensions de type 2 dans les installations solaires

Dans la plupart des installations PV fixes, un dispositif de protection contre les surtensions de type 2 est approprié pour les emplacements DC et AC. Ces dispositifs sont conçus pour gérer l'énergie transitoire répétitive associée à la commutation et aux effets de foudre indirects sans nécessiter la capacité de décharge extrême réservée aux scénarios d'entrée de service.

Pourquoi le type 3 est utilisé uniquement en aval pour l'électronique

Les appareils de type 3 sont destinés aux surtensions résiduelles à faible énergie et ne doivent jamais être installés comme seule mesure de protection. Dans les systèmes solaires, ils peuvent être utilisés en aval pour protéger les électroniques de surveillance ou les interfaces de communication, mais uniquement lorsque la protection en amont limite déjà l'énergie de surtension.

Stratégie de protection contre les surtensions pour les systèmes de recharge pour VE

Les systèmes de charge de VE doivent être analysés du point de vue du flux de puissance, à partir de la connexion au réseau et se terminant à l'interface du véhicule.

Grille au panneau de distribution vers le chargeur EV

Les surtensions entrent généralement par l'alimentation CA. Un SPD AC au niveau du panneau de distribution alimentant le chargeur de VE réduit l'amplitude des transitoires entrants. Il s'agit de la première couche de défense et est particulièrement importante lorsque les chargeurs sont connectés à de longues courses d'alimentation ou à des équipements d'extérieur.

Sensibilité interne de l'électronique de puissance

À l'intérieur du chargeur, le courant alternatif est rectifié en courant continu, traité via des étages de liaison CC et régulé par des dispositifs de commutation à haut débit. Ces étapes sont sensibles à la surtension, en particulier les pointes répétitives qui dégradent les condensateurs et les semi-conducteurs au fil du temps.

Sans limitation de tension en amont, les composants internes sont obligés d'absorber les contraintes qu'ils n'ont jamais été conçues pour gérer.

Communication et exposition au circuit de commande

Les chargeurs de VE modernes comprennent des interfaces de communication pour la gestion de la charge, la facturation et la coordination des véhicules. Ces circuits basse tension sont très sensibles aux surtensions résiduelles qui traversent les étages de puissance.

Les dispositifs de type 3 peuvent être utilisés en interne ou sur les interfaces de circuit de commande pour limiter ces tensions résiduelles, mais ils dépendent entièrement de la protection en amont pour fonctionner correctement.

Lorsque le type 2 est obligatoire

Dans la plupart des installations de recharge de VE, en particulier les environnements commerciaux et de flotte, Dispositif de protection contre les surtensions de type 2 Les unités des panneaux d'alimentation ne sont pas facultatives. La combinaison de commutation fréquente, d'utilisation élevée et de temps de disponibilité critique limite la limitation des surtensions prévisibles.

Différences résidentielles, commerciales et de flotte

Les chargeurs résidentiels partagent souvent des panneaux avec d'autres charges domestiques, augmentant ainsi l'exposition aux transitoires de commutation internes. Les installations commerciales sont confrontées à des courants de défaut plus élevés et à une interaction avec le réseau. La charge de flotte introduit la commutation de charge simultanée sur plusieurs chargeurs, augmentant les perturbations générées en interne. Chaque contexte renforce la nécessité d'une protection coordonnée au niveau du panel plutôt que de se fier uniquement à l'électronique locale.

Coordination des SPD AC et DC dans les systèmes hybrides

Les systèmes hybrides combinant la génération de PV, le stockage d'énergie et la charge VE présentent des défis de coordination uniques.

Les SPD AC et les SPD DC ne sont pas interchangeables. Les circuits DC maintiennent la tension en continu, tandis que les circuits alternatifs passent par des passages à zéro. Les périphériques conçus pour un environnement peuvent échouer prématurément ou se comporter de manière imprévisible dans l'autre.

L'énergie de surtension se propage également différemment. Dans les circuits DC, l'énergie peut persister plus longtemps, augmentant la contrainte thermique sur les composants. Dans les systèmes AC, l'énergie est répartie sur les phases et interrompue périodiquement par des passages à zéro de forme d'onde.

Une coordination inappropriée conduit souvent à un appareil absorbant plus d'énergie que prévu. Cela se traduit par une dégradation prématurée et une fausse confiance dans la protection du système. La limitation de tension progressive s'assure que chaque étape SPD réduit étape par étape l'amplitude des surtensions, plutôt que de forcer un seul appareil à effectuer tout le travail.

Dans les systèmes hybrides, cela signifie :

• Les SPD DC gèrent les perturbations de la baie et du côté de la batterie.
  
• Les SPD AC gèrent les perturbations de la grille et du côté de la charge.
  
• Les appareils en aval ne gèrent que les résidus à faible énergie.
  

Mise à la terre, liaison et performances de surtension (non-code, pratique)

La qualité de mise à la terre affecte directement la performance de tout dispositif de protection contre les surtensions. Un SPD n'élimine pas l'énergie de surtension. Il le détourne. Si le trajet de dérivation a une impédance élevée, la tension augmente ailleurs dans le système.

Une mauvaise liaison entre les boîtiers d'équipement, les structures de montage et les conducteurs de mise à la terre crée un potentiel inégale lors d'un événement de surtension. Ce potentiel inégaux met en oeuvre l'isolation et les interfaces électroniques, même en présence de SPD.

Concrètement :

• Les connexions de mise à la terre courtes et droites améliorent le temps de réponse
  
• Une liaison cohérente réduit les tensions différentielles entre les composants du système.
  
• Les SPD ne peuvent pas compenser les trajectoires de mise à la terre mal conçues.
  

Se concentrer sur la mise à la terre dans le cadre de la conception du système, et non après coup, améliore l'efficacité de chaque couche de protection.

Tableau de comparaison

Erreurs de conception courantes dans la protection contre les surtensions VE et solaire

Une erreur fréquente consiste à s'appuyer sur un seul SPD pour protéger un système entier. Cette approche ignore la façon dont l'énergie de surtension se répartit sur différents conducteurs et tensions.

Un autre problème est de négliger la protection côté DC dans les systèmes PV. La protection de la sortie CA uniquement laisse l'onduleur exposé à des transitoires d'origine ARRIÈRE qui n'atteignent jamais l'interface du réseau.

Traiter les chargeurs de VE comme de simples charges est également problématique. Les chargeurs façonnent activement le flux de puissance et génèrent des perturbations de commutation internes qui nécessitent une limitation de tension en amont.

Enfin, l'installation de périphériques de type 3 sans protection en amont donne un faux sentiment de sécurité. Ces appareils ne sont pas conçus pour gérer l'énergie de surtension primaire et se dégrade rapidement lorsqu'ils sont mal appliqués.

Considérations à long terme sur la fiabilité et la maintenance

Les SPD se dégradent progressivement. Chaque événement de surtension réduit légèrement sa capacité à détourner l'énergie. Cette dégradation est normale et prévisible, mais uniquement si elle est reconnue lors de la planification du système.

Les installations solaires et électriques devraient fonctionner pendant des décennies. Les stratégies de protection doivent inclure des intervalles d'inspection, la surveillance de l'état et le remplacement prévu en fonction du niveau d'exposition plutôt que d'attendre la défaillance.

Une protection prévisible prend en charge une disponibilité prévisible. Cela compte plus dans la charge de VE et la production solaire que dans de nombreuses autres applications électriques, car les temps d'arrêt affectent directement la disponibilité de l'énergie et la planification opérationnelle.

Conclusion

Les systèmes de recharge VE et les installations solaires photovoltaïques exigent des stratégies de protection des surtensions coordonnées qui reflètent la topologie de leur système et leur comportement opérationnel. L'utilisation efficace d'un dispositif de protection contre les surtensions dépend du placement correct, de la coordination entre les environnements AC et DC et des attentes réalistes quant aux performances au fil du temps.

La protection de ces systèmes n'est pas une question de prévention absolue. Il s'agit de contrôler les risques, de limiter le stress sur les électroniques sensibles et de soutenir la fiabilité à long terme grâce à une conception réfléchie.

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