Transformateurs dans les projets intégrés de charge-stockage photovoltaïque : architecture, solutions et guide de sélection

Avec l'avancement des objectifs du « double carbone » et la croissance explosive de l'industrie des véhicules à énergie nouvelle, les projets intégrés photovoltaïque + stockage d'énergie + pile de recharge (appelés « PV-Storage-Charging ») deviennent un point chaud dans le secteur de l'énergie. Ce modèle permet une consommation sur site d'énergie propre et une régulation flexible de la charge du réseau grâce au fonctionnement coordonné de « la production d'énergie photovoltaïque, l'écrêtement des pics de stockage et l'alimentation électrique des piles de chargement. » Au sein de ce système énergétique complexe, le transformateur, servant de plaque tournante reliant le photovoltaïque, le stockage, les piles de chargement et le réseau, a un impact direct sur l'efficacité, la sécurité et la viabilité économique de l'ensemble du projet à travers sa sélection et sa configuration. Cet article analysera systématiquement les technologies de transformateur utilisées dans les projets PV-Storage-Charging.

I. Architecture du système de stockage-chargement photovoltaïque et rôle essentiel des transformateurs

1.1 Architecture système typique

L’architecture électrique d’un projet intégré PV-Stockage-Charge comprend généralement les éléments suivants :

• Unité de génération PV : les modules PV (DC 300 ~ 1 500 V) sont convertis en CA (généralement CA 380 V) via des onduleurs.

• Unité de stockage d'énergie : les armoires de batteries se connectent au système via des systèmes de conversion de puissance (PCS) bidirectionnels, permettant un flux d'énergie bidirectionnel pour la charge et la décharge.

• Unité de charge : comprend des chargeurs rapides CC (nécessitant une interface de charge rapide CA 380 V ou CC) et des chargeurs lents CA.

• Unité de distribution et de connexion au réseau : se connecte au réseau 10 kV/20 kV via une sous-station compacte ou une salle de commutation.

1.2 Le rôle central du transformateur dans le système

Dans un système PV-Stockage-Charge, le transformateur joue plusieurs rôles critiques :

Tout d’abord, la conversion et l’adaptation de tension. La tension de sortie de l'onduleur photovoltaïque fluctue considérablement en fonction de l'intensité du soleil (peut descendre en dessous de 200 V par temps nuageux). Le système de stockage d'énergie produit/absorbe également de l'énergie de manière bidirectionnelle pendant la charge/décharge, tandis que les piles de chargement nécessitent une alimentation électrique stable de 380 V CA ± 5 %. Le transformateur doit prendre en charge une large plage de tension d'entrée pour garantir une tension de sortie stable.

Deuxièmement, l'isolation électrique et la protection de sécurité. Les systèmes PV-Stockage-Charge impliquent un flux de courant bidirectionnel à la fois du côté DC (PV, stockage) et du côté AC (piles de charge, réseau). Le transformateur réalise une isolation électrique entre l'entrée et la sortie grâce à un couplage magnétique, bloquant les courants de boucle de terre et les interférences de surtension, réduisant ainsi la distorsion harmonique totale à moins de 3 %.

Troisièmement, une plateforme de gestion coordonnée de l’énergie multi-sources. Les transformateurs des systèmes modernes de stockage et de charge photovoltaïque ne sont plus de simples « convertisseurs de tension » ; ce sont des nœuds essentiels pour la répartition de l’énergie. En intégrant un système de gestion de l'énergie intelligent (PMS), le transformateur peut surveiller la production photovoltaïque, l'état de charge du stockage (SOC) et la charge de la pile en temps réel, ajuster automatiquement les robinets, changer les modes de fonctionnement du stockage et réaliser une répartition intelligente telle que « Auto-utilisation prioritaire du PV → alimentation/stockage du réseau électrique excédentaire → supplémentation en puissance de stockage → écrêtage des pics du réseau. »

II. Principaux types de solutions de transformateur

Dans les projets PV-Stockage-Charge, basés sur différents itinéraires techniques et scénarios d'application, les principales solutions de transformateur suivantes sont disponibles :

2.1 Solution de sous-station compacte (solution grand public mature)

Il s’agit de la solution la plus couramment utilisée dans les projets actuels de recharge de stockage photovoltaïque. Une sous-station compacte intègre un appareillage haute tension, un transformateur et un équipement de distribution basse tension dans une enceinte mobile, offrant ainsi une solution intégrée clé en main.

Caractéristiques techniques :

• Densité de puissance élevée : le volume est contrôlé à moins de 1/3 de celui d'une salle de commutation traditionnelle, adapté aux scénarios à espace limité comme les parkings et les parcs industriels.

• Large plage de tension d'entrée : prend en charge une large plage d'entrée AC 200 ~ 480 V avec modules de compensation de puissance réactive dynamique intégrés.

• Protection élevée contre les infiltrations : indice de protection IP54 et supérieur, adaptable aux environnements extérieurs difficiles tels que les températures élevées, l'humidité et le brouillard salin.

Scénarios applicables : bornes de recharge publiques urbaines, zones de service autoroutières, parkings de parcs industriels, etc.

2.2 Transformateurs dédiés au stockage d’énergie et unités de conversion élévateur de stockage intégrées

Répondant aux exigences particulières de « flux d'énergie bidirectionnel » des systèmes de stockage d'énergie, l'industrie a introduit des transformateurs dédiés au stockage d'énergie et des unités de conversion élévateur de stockage intégrées plus hautement intégrées.

Transformateurs dédiés au stockage d’énergie :

• Personnalisé pour les scénarios d’applications de stockage d’énergie, avec des conceptions structurelles innovantes et des processus avancés.

• Offre diverses options, notamment le type sec immergé dans l'huile, à ventilation ouverte/en résine époxy.

• Garantit une fiabilité et une efficacité élevées, adaptées à diverses intégrations de systèmes de stockage d’énergie.

Unités de conversion élévateur de stockage intégrées :

• Intègre des équipements de base tels que des transformateurs et des convertisseurs dans une structure conteneurisée.

• Ne nécessite aucun outil de levage spécial, pratique pour le transport et l'installation, offrant une solution clé en main intégrée.

• Côté haute tension 6-35 kV, côté basse tension 0,315-0,69 kV, capacité d'une seule unité jusqu'à 6,8 MW.

• Choix flexible entre le type immergé dans l’huile et le type sec pour répondre aux différentes exigences des scénarios.

2.3 Transformateur déphaseur (solution à haut rendement et à faibles pertes)

Les transformateurs déphaseurs sont une solution technique émergente dans le domaine PV-Storage-DC-Flexible ces dernières années. Des entreprises comme TY T ont introduit des transformateurs dédiés utilisant une technologie de déphasage haute fréquence.

Caractéristiques techniques :

• Système redresseur à 24 impulsions : réduit considérablement les harmoniques du courant d'entrée, éliminant ainsi le besoin d'une compensation de puissance réactive supplémentaire.

• Ultra-haute efficacité : efficacité du système ≥98 %, réduisant les pertes totales de la station de plus de 15 % dans les solutions traditionnelles à 5 %.

• Avantage du volume : 30 à 50 % plus petit que les solutions traditionnelles.

• Large plage de fonctionnement en puissance : fonctionnement en puissance de 5 % à 110 %, adaptable à la nature fluctuante de l'énergie renouvelable.

Scénarios applicables : projets de recharge de stockage photovoltaïque avec des exigences d'efficacité élevées et des contraintes d'espace, en particulier des stations de recharge dans les zones urbaines centrales.

2.4 Transformateur à semi-conducteurs (technologie de pointe révolutionnaire)

Le transformateur à semi-conducteurs (SST) représente une intégration profonde de l'électronique de puissance et de la technologie des transformateurs, pointant vers l'orientation future du développement.

Percées technologiques :

• Distribution hybride AC/DC : permet une conversion de puissance bidirectionnelle efficace entre 10 kV AC et 750 V DC, créant ainsi un cadre de réseau de distribution hybride AC/DC flexible.

• Capacité de contrôle précis : permet un contrôle précis et un fonctionnement coordonné de divers éléments tels que les installations photovoltaïques, de stockage et de recharge, rendant la répartition de l'énergie aussi intelligente et flexible que le « routage réseau ».

• Cas d'application : Un projet de démonstration de charge flexible PV-Storage-DC, construit conjointement par Guangzhou Weiguang Energy et Baiyun Electric Group, utilisant un transformateur à semi-conducteurs de 1 250 kVA, établissant avec succès une station de démonstration complète intégrant le PV, le stockage, la charge ultra-rapide et le V2G.

Scénarios applicables : projets de démonstration haut de gamme, futurs parcs industriels intelligents, scénarios exigeant une flexibilité de répartition d'énergie extrêmement élevée.

III. Exigences techniques clés et tendances de développement

3.1 Exigences techniques de base

Capacité de tenue aux harmoniques : les onduleurs photovoltaïques et les PCS de stockage d'énergie sont des dispositifs électroniques de puissance qui génèrent des harmoniques importantes (distorsion harmonique 5e et 7e > 8 %). Le transformateur doit posséder une capacité de tenue aux harmoniques adéquate pour éviter un échauffement supplémentaire et un vieillissement de l'isolation.

Haute efficacité et faibles pertes : selon les normes nationales, les transformateurs élévateurs dans les panneaux photovoltaïques doivent de préférence être des types économes en énergie avec de faibles pertes à vide. Les transformateurs destinés aux projets de charge de stockage photovoltaïque doivent sélectionner des transformateurs à très haut rendement IE4, maintenant une efficacité ≥ 98,5 % sur des taux de charge de 20 % à 100 %.

Adaptabilité bidirectionnelle de l'alimentation : le flux bidirectionnel de charge et de décharge dans les systèmes de stockage d'énergie nécessite que le transformateur s'adapte aux changements de direction du flux d'énergie, imposant des exigences plus élevées en matière de configuration de protection et de méthodes de régulation de tension.

Conception à haute fiabilité : les environnements de fonctionnement difficiles (température élevée, humidité élevée, brouillard salin, etc.) et les caractéristiques de charge complexes (intermittentes, aléatoires) exigent des transformateurs dotés d'une forte adaptabilité environnementale et d'une capacité de tenue aux courts-circuits.

3.2 Tendances de développement de l’industrie

Intégration : Evolution des transformateurs autonomes vers des équipements intégrés « multi-en-un ». Les unités de conversion élévateur de stockage intégrées combinent transformateurs et convertisseurs ; les solutions de cabine préfabriquées intègrent des unités principales en anneau haute tension, des transformateurs et des modules électroniques de puissance.

Intelligence : les transformateurs dotés de capteurs et de modules de communication intégrés prennent en charge des protocoles tels que Modbus TCP et IEC 61850, téléchargeant des données en temps réel sur la tension, le courant, la température et le taux de charge, permettant une évaluation de l'état à distance et une maintenance prédictive.

Orientation DC : « PV-Storage-DC-Flexible » devient une direction technique importante. Les architectures de bus CC (par exemple, bus CC 750 V) couplent les piles PV, de stockage et de charge directement du côté CC, simplifiant considérablement la topologie et permettant un fonctionnement sans harmoniques sans besoin de compensation de puissance réactive.

IV. Recommandations pour la sélection de solutions

La sélection d'un transformateur pour les projets de stockage et de recharge photovoltaïque nécessite une prise en compte approfondie des facteurs suivants :

Liste de contrôle des paramètres clés :

• Capacité nominale : déterminée par la puissance totale des piles photovoltaïques, de stockage et de chargement, en tenant compte du facteur de diversité

• Niveaux de tension : côté haute tension 6-35 kV, tension du système correspondante côté basse tension (380 V/480 V/690 V, etc.)

• Tension d'impédance : affecte les niveaux de courant de court-circuit et le taux de régulation de tension

• Méthode de régulation de tension : changement de prise hors circuit ou changement de prise en charge

• Indice de protection contre la pénétration : IP54 extérieur minimum, plus élevé pour les environnements

• Méthode de refroidissement : refroidissement par air naturel ou refroidissement par air forcé

V.Conclusion

Les projets intégrés PV-Storage-Charging, en tant que scénario typique intégrant une nouvelle infrastructure de véhicules énergétiques avec des énergies renouvelables, imposent des exigences techniques aux transformateurs dépassant de loin les systèmes de distribution traditionnels. Des sous-stations compactes grand public aux unités de conversion élévateur de stockage intégrées plus hautement intégrées, en passant par les transformateurs déphaseurs très efficaces et les transformateurs à semi-conducteurs orientés vers l'avenir, chaque solution technique a ses scénarios applicables et sa proposition de valeur unique.

L’essence de la sélection d’un transformateur consiste à trouver l’équilibre optimal entre efficacité, coût, fiabilité et intelligence qui répond le mieux aux exigences du projet. Pour la plupart des projets commerciaux, l’adoption de sous-stations compactes ou d’unités de conversion élévateur de stockage intégrées, associées à des systèmes intelligents de gestion de l’énergie, représente déjà une solution mature et fiable. Pour les projets de référence recherchant l’efficacité et le leadership technologique, les transformateurs déphaseurs et les transformateurs à semi-conducteurs démontrent un énorme potentiel.

À mesure que la voie technique « PV-Storage-DC-Flexible » mûrit et que la distribution CC devient plus répandue, les transformateurs évoluent de « convertisseurs de tension » passifs vers des « routeurs d'énergie » actifs. Comprendre cette tendance évolutive fournira les informations techniques les plus critiques pour vos investissements dans un projet de charge de stockage PV.