Mise en œuvre technique de la fusion par induction à énergie solaire : lissage de la puissance et intégration au réseau
La fusion par induction alimentée à l'énergie solaire est techniquement réalisable car les fours à induction tolèrent les variations de puissance d'entrée. Cependant, sa mise en œuvre exige une attention particulière à l'électronique de puissance, au système de contrôle et à l'intégration au réseau. La production photovoltaïque varie en fonction de la position du soleil, de la couverture nuageuse et de la température, tandis que la charge du four à induction varie selon l'étape de fusion. L'électronique de puissance et le système de contrôle doivent s'adapter en temps réel à ces deux sources et charges variables. Cet article décrit la mise en œuvre technique et les principaux choix de conception.
Architecture de l'électronique de puissance
L'architecture électronique de puissance d'un système de fusion par induction alimenté à l'énergie solaire comprend trois composants principaux : l'onduleur photovoltaïque, l'onduleur bidirectionnel du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) et l'onduleur du four à induction. Chaque onduleur a un rôle spécifique, et leur coordination est essentielle.
Onduleur photovoltaïque : convertit le courant continu (CC) produit par le générateur photovoltaïque en courant alternatif (CA) à la fréquence du réseau. Les onduleurs photovoltaïques modernes sont équipés d’un système de suivi du point de puissance maximale (MPPT) qui ajuste le point de fonctionnement en CC afin d’optimiser la production d’énergie. L’onduleur photovoltaïque est généralement de conception centralisée avec un seul MPPT pour l’ensemble du générateur, ou de conception par chaîne avec plusieurs MPPT pour différents sous-générateurs.
Onduleur bidirectionnel pour système de stockage d'énergie par batterie (BESS) : il convertit le courant continu (CC) de la batterie en courant alternatif (CA) à la fréquence du réseau et convertit le courant alternatif provenant du réseau ou de l'onduleur photovoltaïque en courant continu pour charger la batterie. Cet onduleur gère l'état de charge de la batterie, les vitesses de charge et de décharge, ainsi que l'équilibrage des cellules. Il assure également des services réseau (réponse en fréquence, soutien de la tension) lorsque le système est raccordé au réseau.
Onduleur de four à induction : convertit le courant alternatif du réseau en moyenne fréquence (150 Hz à 10 kHz) pour la bobine d’induction. Cet onduleur est un modèle standard à semi-conducteurs utilisant des transistors IGBT ou à thyristors. La puissance de sortie est régulée par le système de contrôle du four en fonction de la température de consigne et du stade de fusion.
Les trois onduleurs sont connectés à un bus CA commun à la fréquence du réseau. La tension et la fréquence de ce bus sont gérées par le contrôleur du micro-réseau. Ce dernier surveille les flux de puissance sur le bus, l'état de charge de la batterie et la demande du four. Il ajuste la consigne de l'onduleur photovoltaïque, la consigne de l'onduleur du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) et, le cas échéant, l'injection/déinjection d'énergie sur le réseau afin d'équilibrer le système.
Lissage de la puissance et contrôle de la vitesse de montée en puissance
La production d'énergie photovoltaïque peut varier rapidement en fonction de la couverture nuageuse. Le passage d'un nuage peut réduire cette production de 50 à 80 % en quelques secondes, et elle peut se rétablir tout aussi rapidement une fois le nuage dissipé. Le four à induction ne supporte pas de telles variations, et le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) doit lisser la production photovoltaïque afin de garantir une alimentation électrique stable pour le four.
L'algorithme de lissage du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) s'exécute sur une échelle de temps d'une seconde. Il compare la production photovoltaïque réelle à une valeur cible (généralement une moyenne mobile sur 30 à 60 secondes) et module la charge ou la décharge du BESS afin de maintenir la production combinée (PV + BESS) au plus près de cette valeur cible. Le lissage réduit la vitesse de variation de 10 à 30 % par seconde (PV brute) à 1 à 3 % par seconde (après lissage).
Pour les nuages plus importants, l'algorithme de lissage utilise une moyenne mobile plus longue (5 à 15 minutes), et le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) est dimensionné pour fournir de 15 à 30 minutes de puissance à pleine charge. Il s'agit du dimensionnement standard pour les systèmes solaires photovoltaïques raccordés au réseau, et il permet au BESS de disposer de suffisamment d'énergie pour faire face à la plupart des épisodes nuageux.
Modifications apportées au système de contrôle du four à induction
Le système de commande standard d'un four à induction suppose une alimentation électrique stable provenant du réseau. Pour un fonctionnement à l'énergie solaire, le système de commande doit être modifié afin d'accepter une consigne de puissance variable en fonction de la puissance solaire et de stockage disponibles.
La modification consiste en un changement logiciel dans l'automate programmable du four. Ce dernier reçoit une consigne de puissance du contrôleur du micro-réseau et ajuste la cadence de combustion en conséquence. L'automate transmet également la consommation électrique réelle au contrôleur du micro-réseau, qui utilise ces informations pour mettre à jour la répartition du système de stockage d'énergie par batterie (BESS) et la consigne de l'onduleur photovoltaïque.
La boucle de régulation présente quelques cas particuliers. Lors de la charge à froid, le four consomme près de 100 % de sa puissance nominale et le contrôleur du micro-réseau doit garantir que le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) dispose de suffisamment d'énergie pour alimenter la pleine charge. Pendant la phase de maintien en température, le four consomme entre 50 et 70 % de sa puissance nominale et le contrôleur peut recharger le BESS grâce au surplus de production photovoltaïque. En veille, le four consomme entre 20 et 30 % de sa puissance nominale (pour maintenir le bain à température) et le contrôleur peut recharger complètement le BESS.
L'automate programmable dispose également d'un seuil de puissance minimale en dessous duquel le four s'arrête. Ce seuil est généralement compris entre 30 et 40 % de la puissance nominale, et le contrôleur du micro-réseau doit le respecter. Si la production photovoltaïque chute en dessous de ce minimum, le système de stockage d'énergie par batterie (BESS) est déchargé à son taux maximal pour maintenir le fonctionnement du four. Si le BESS est déchargé, le four s'arrête et la charge est alimentée par le réseau (si celui-ci y est connecté).
Intégration au réseau
La plupart des installations de fusion par induction à énergie solaire sont raccordées au réseau électrique pour l'alimentation de secours. Ce raccordement fournit l'énergie nécessaire lorsque l'ensoleillement est insuffisant (jours nuageux, nuit, hiver) et permet au système de stockage d'énergie par batterie (BESS) d'évacuer l'énergie excédentaire lorsque le four est à l'arrêt.
Le raccordement au réseau présente plusieurs configurations standard. La plus courante est une configuration connectée au réseau où le système solaire avec stockage et le réseau alimentent tous deux le bus de la chaudière, et le contrôleur du micro-réseau gère les flux d'énergie. Dans cette configuration, le réseau sert de source d'énergie de secours, et le système peut revendre le surplus d'énergie au réseau si le fournisseur d'électricité local l'autorise.
Une seconde configuration consiste en un système de formation de réseau où le système solaire avec stockage constitue le réseau local, le réseau électrique principal servant de secours. Dans cette configuration, le système peut fonctionner en autonomie indéfiniment et le réseau électrique principal n'est sollicité que lorsque la batterie du système de stockage d'énergie est déchargée et que la production photovoltaïque est insuffisante. Cette configuration de formation de réseau est plus complexe et plus coûteuse, mais elle est indispensable pour les sites nécessitant une alimentation électrique continue.
Une troisième configuration est une configuration hybride combinant plusieurs sources de production : solaire, éolienne, diesel et réseau électrique. Le contrôleur du micro-réseau privilégie la source la moins coûteuse, les autres sources étant utilisées uniquement lorsque les premières s’avèrent insuffisantes. Cette configuration hybride est courante sur les sites miniers et pétroliers et gaziers isolés, où le coût d’extension du réseau est prohibitif et le prix du gazole élevé.
Sécurité et protection
La fusion par induction à énergie solaire présente les mêmes exigences de sécurité que la fusion par induction alimentée par le réseau électrique, auxquelles s'ajoutent quelques considérations supplémentaires. Les plus importantes sont :
Protection contre les arcs électriques : le générateur photovoltaïque fonctionne sous haute tension continue (600 à 1 500 V) et un défaut d’arc peut enflammer les câbles photovoltaïques ou l’onduleur. Le système de protection utilise des disjoncteurs de protection contre les défauts d’arc (DPD) sur chaque chaîne, et l’onduleur est doté d’une fonction d’arrêt rapide qui abaisse la tension continue en dessous de 30 V dans les 30 secondes suivant un défaut.
Protection incendie des systèmes de stockage d'énergie par batterie (BESS) : les batteries LFP sont moins sujettes à l'emballement thermique que les batteries NMC, mais le risque n'est pas nul. Le système de protection utilise la détection de gaz et de fumée, ainsi qu'une surveillance thermique, pour détecter tout emballement thermique. Le système d'extinction d'incendie emploie un agent propre (Novec 1230 ou FM-200) pour éteindre le feu sans endommager les batteries.
Protection anti-îlotage : lorsque le système fonctionne hors réseau, le raccordement au réseau électrique doit être déconnecté afin d’éviter toute réinjection de courant dans le réseau de distribution. Le système de protection anti-îlotage surveille la tension et la fréquence du réseau et coupe le raccordement dans les deux secondes suivant une coupure de courant. Cette protection est exigée par la plupart des normes de réseau et est essentielle à la sécurité des techniciens.
Mise à la terre : le champ photovoltaïque, le système de stockage d’énergie par batterie et le four sont tous reliés à une barre de terre commune, elle-même connectée à la terre de l’installation. Cette mise à la terre est essentielle pour la sécurité des opérateurs et la protection des équipements.
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Pour les acheteurs envisageant une installation de fusion par induction à énergie solaire, le bureau d'études MONTE INTELLIGENCE conçoit l'architecture électronique de puissance, le système de contrôle et les systèmes de sécurité adaptés à un site et un profil d'exploitation spécifiques. La conception inclut le dimensionnement de l'onduleur photovoltaïque, le dimensionnement du système de stockage d'énergie par batterie (BESS), la modification du contrôle du four et l'intégration au réseau. Visitez notre site web.www.cnlymonte.com/products-solar-induction-furnace.html Pour connaître les spécifications du produit, veuillez contacter helenxu@cnlymonte.com. Pour toute question technique, veuillez envoyer un courriel à helenxu@cnlymonte.com en indiquant dans l'objet « Induction solaire technique » et en précisant les dimensions de votre four, ses heures de fonctionnement et son raccordement au réseau.
