PCS – Power Conversion System : l’interface de puissance entre la batterie et le réseau
Après avoir étudié la structure de la batterie :
puis son système de surveillance et de protection :
BMS – Battery Management System
nous arrivons maintenant à un élément essentiel du BESS :
PCS – Power Conversion System
En français, on peut parler de :
Système de conversion de puissance
ou, de manière plus concrète :
Convertisseur bidirectionnel AC/DC
Le PCS constitue l’interface électrique de puissance entre la batterie, qui fonctionne en courant continu DC, et l’installation électrique ou le réseau, qui fonctionne généralement en courant alternatif AC.
1. Pourquoi avons-nous besoin d’un PCS ?
Les cellules d’une batterie délivrent naturellement une tension continue.
Après assemblage des cellules en modules puis en racks, nous obtenons donc une batterie haute tension en :
DC – Direct Current
Mais le réseau électrique du site fonctionne généralement en :
AC – Alternating Current
Il faut donc un équipement capable de faire le lien entre les deux mondes :
Batterie DC ⇄ PCS ⇄ Réseau AC
Cette conversion doit fonctionner dans les deux directions, car le BESS doit pouvoir aussi bien absorber de l’énergie que la restituer.
2. Fonctionnement pendant la charge
Lorsque la batterie doit être chargée, l’énergie provient du réseau AC.
Le PCS réalise alors la conversion :
AC → DC
Le flux d’énergie devient :
Réseau AC → PCS → Batterie DC
On peut simplifier le fonctionnement ainsi :
400 V AC → PCS → tension DC batterie
Les valeurs réelles dépendent évidemment de l’architecture du BESS.
Dans ce mode, le PCS fonctionne comme un convertisseur permettant d’alimenter correctement la batterie tout en contrôlant la puissance de charge.
3. Fonctionnement pendant la décharge
Lorsque le site a besoin de l’énergie stockée, le processus est inversé.
La batterie fournit une énergie en courant continu.
Le PCS réalise alors :
DC → AC
Le flux devient :
Batterie DC → PCS → Réseau AC
Le PCS fonctionne alors comme un onduleur bidirectionnel.
C’est cette fonction qui permet au BESS de restituer son énergie à l’installation électrique.
4. Un convertisseur bidirectionnel
La caractéristique fondamentale d’un PCS de BESS est donc sa capacité à fonctionner dans les deux sens.
On peut résumer :
Charge : AC → DC
Décharge : DC → AC
Cette bidirectionnalité distingue le PCS d’un simple redresseur ou d’un simple onduleur utilisé dans une seule direction.
Le sens du flux d’énergie peut être représenté ainsi :
Réseau AC ⇄ PCS ⇄ Batterie DC
Le PCS peut ainsi absorber ou injecter de la puissance selon les besoins du système de gestion énergétique.
5. Les principales parties d’un PCS
Un PCS industriel est beaucoup plus complexe qu’un simple bloc AC/DC.
Son architecture peut comprendre plusieurs éléments.
Bus DC
Le côté batterie est relié à un :
Bus continu – DC Bus ou DC Link
Ce bus reçoit l’énergie provenant des racks de batteries.
Il comporte généralement des condensateurs permettant notamment de stabiliser la tension continue.
Électronique de puissance
Le cœur du PCS est constitué de composants électroniques de puissance commandés à haute fréquence.
Selon la technologie utilisée, on peut rencontrer notamment des composants de type :
IGBT
ou
MOSFET de puissance
Ces semi-conducteurs permettent de contrôler très rapidement le transfert d’énergie.
Filtrage
La commutation électronique génère des composantes haute fréquence.
Des filtres sont donc utilisés afin d’obtenir une tension et un courant AC adaptés à l’installation.
On peut notamment rencontrer des :
filtres L
ou
filtres LCL
selon la conception.
Protections et appareillage
Le PCS comporte également différents dispositifs de protection, de mesure et de coupure.
L’architecture simplifiée devient :
Batterie → Bus DC → Convertisseur → Filtre → Protections → Réseau AC
6. Le PCS contrôle la puissance active
Le PCS ne se contente pas de convertir une tension.
Il contrôle également la quantité de puissance échangée avec la batterie.
Prenons un exemple.
L’EMS demande :
Charge BESS = 50 kW
Le PCS règle alors son fonctionnement afin d’absorber approximativement 50 kW du côté AC et de les transférer vers la batterie, en tenant compte des pertes et des limitations du système.
Lors d’une décharge :
Décharge BESS = 80 kW
le PCS convertit l’énergie DC stockée et injecte la puissance demandée sur le réseau AC.
Le PCS constitue donc également un véritable actionneur de puissance.
7. Puissance active et puissance réactive
Dans un réseau alternatif, le PCS peut également jouer un rôle dans la gestion de la puissance réactive.
On distingue :
P – Puissance active, exprimée en kW.
Q – Puissance réactive, exprimée en kvar.
S – Puissance apparente, exprimée en kVA.
Selon sa conception et sa stratégie de commande, un PCS peut être capable de contrôler simultanément la puissance active et la puissance réactive dans les limites de sa puissance apparente nominale.
Cette fonction peut être utilisée, par exemple, pour contribuer à la gestion du facteur de puissance du site ou au support du réseau.
8. Synchronisation avec le réseau
Avant d’injecter de l’énergie sur un réseau AC, le PCS doit correctement se synchroniser avec celui-ci.
Il doit notamment connaître :
la tension ;
la fréquence ;
l’ordre des phases ;
l’angle électrique du réseau.
Le système de contrôle électronique du PCS mesure ces grandeurs et adapte sa commande afin d’échanger correctement la puissance avec le réseau.
Cette fonction est essentielle pour assurer une connexion correcte du BESS à une installation électrique AC.
9. Mesures réalisées par le PCS
Pour contrôler correctement le transfert d’énergie, le PCS surveille de nombreuses grandeurs électriques.
Du côté DC :
tension batterie ;
courant DC ;
puissance DC.
Du côté AC :
tensions L1, L2 et L3 ;
courants de phase ;
fréquence ;
puissance active ;
puissance réactive ;
facteur de puissance.
Ces mesures sont utilisées par les boucles de régulation internes du convertisseur.
10. Relation entre le PCS et le BMS
Le PCS doit impérativement respecter les limites imposées par la batterie.
C’est ici que la communication avec le BMS devient fondamentale.
Prenons un exemple.
Le système souhaite charger la batterie à :
100 kW
Mais le BMS indique :
Puissance maximale de charge autorisée = 40 kW
Le PCS doit alors respecter cette limitation.
La relation peut être représentée ainsi :
BMS → limites batterie → PCS
Le BMS peut notamment communiquer :
SOC ;
SOH ;
tension batterie ;
températures ;
alarmes ;
état des contacteurs ;
courant maximal de charge ;
courant maximal de décharge ;
puissance maximale admissible.
Le PCS utilise ensuite ces informations pour fonctionner dans une zone compatible avec l’état réel de la batterie.
11. Relation entre le PCS et l’EMS
Nous devons également distinguer le rôle du PCS de celui de l’EMS.
Le :
EMS – Energy Management System
détermine la stratégie énergétique.
Le :
PCS
exécute physiquement la consigne de puissance.
Prenons un exemple simple.
Le réseau fournit actuellement :
100 kW
L’EMS souhaite limiter l’importation à :
70 kW
Il peut donc demander au BESS de fournir :
30 kW
La chaîne de commande devient alors :
EMS → consigne de 30 kW → PCS → batterie
Le PCS convertit ensuite l’énergie provenant de la batterie et fournit cette puissance côté AC.
12. BMS, PCS et EMS : trois rôles différents
Il est très important de ne pas confondre ces trois systèmes.
BMS
Le BMS connaît l’état de la batterie.
Il surveille et protège notamment :
Cellules – Températures – SOC – SOH – Limites
PCS
Le PCS gère le transfert réel de puissance :
DC ⇄ AC
Il contrôle la conversion entre la batterie et le réseau.
EMS
L’EMS décide de la stratégie d’exploitation.
Par exemple :
charger maintenant ;
décharger maintenant ;
limiter la puissance réseau ;
utiliser un surplus photovoltaïque ;
réaliser du Peak Shaving.
La logique générale peut donc être résumée ainsi :
EMS = décide
PCS = exécute
BMS = protège la batterie et impose ses limites
13. Exemple complet de fonctionnement
Imaginons que le site consomme :
120 kW
L’EMS souhaite limiter la puissance prélevée sur le réseau à :
80 kW
Il manque donc :
120 − 80 = 40 kW
L’EMS envoie une consigne au PCS :
Décharge BESS = 40 kW
Avant d’exécuter cette demande, les limitations de la batterie doivent être respectées.
Le BMS indique par exemple :
SOC = 70 %
Puissance maximale de décharge autorisée = 100 kW
La demande de 40 kW est donc compatible.
Le système fonctionne alors approximativement ainsi :
Réseau : 80 kW
BESS : 40 kW
Charges : 120 kW
Nous avons ici un exemple de :
Peak Shaving
Le PCS est l’équipement qui réalise physiquement l’injection des 40 kW demandés.
14. Que se passe-t-il lorsque la batterie est presque pleine ?
Supposons maintenant :
SOC = 97 %
L’EMS souhaite charger le BESS à :
100 kW
Mais le BMS détermine que la batterie ne peut accepter que :
20 kW
Le système devra respecter cette limite.
Nous avons donc :
EMS : demande 100 kW
BMS : autorise maximum 20 kW
PCS : charge à maximum 20 kW
Cet exemple montre pourquoi le PCS ne peut pas fonctionner indépendamment du BMS.
15. Le rendement du PCS
La conversion de puissance n’est jamais totalement sans pertes.
Lors du passage :
AC → DC
ou :
DC → AC
une partie de l’énergie est dissipée sous forme de pertes dans les semi-conducteurs, filtres, connexions et autres composants.
On définit donc un :
Rendement – Efficiency
Un PCS industriel performant possède généralement un rendement élevé, mais celui-ci varie selon la puissance, la tension, la température et la conception du fabricant.
Il faut également distinguer le rendement du PCS du rendement global du BESS, qui inclut les pertes de la batterie et des autres équipements.
16. PCS et transformateur
Selon la tension AC de sortie du PCS et la tension du réseau auquel le BESS doit être connecté, un transformateur peut être nécessaire.
L’architecture peut alors devenir :
Batterie DC → PCS → AC basse tension → Transformateur → Réseau
Par exemple, un grand BESS peut être connecté à un réseau moyenne tension.
Le PCS réalise d’abord la conversion DC/AC, puis un transformateur élève la tension avant la connexion au réseau MT.
17. PCS et inverter : est-ce la même chose ?
Dans la documentation technique, on rencontre fréquemment les termes :
Inverter
Battery Inverter
Bidirectional Inverter
PCS
Ils sont parfois utilisés de manière proche.
Cependant, le terme PCS – Power Conversion System est souvent plus large.
Il peut désigner l’ensemble du système de conversion comprenant non seulement le convertisseur électronique, mais également ses systèmes de contrôle, mesures, protections, filtres et interfaces.
Dans un BESS industriel, parler de PCS est donc généralement plus approprié que de parler simplement d’un « onduleur ».
18. De la batterie au réseau
Notre architecture commence maintenant à prendre forme.
Nous avions :
Cellule → Module → Rack
Puis nous avons ajouté :
BMS
Et maintenant :
PCS
Nous pouvons donc représenter la chaîne de puissance ainsi :
Cellules → Modules → Racks → Batterie DC → PCS → Réseau AC
Et la chaîne de contrôle :
BMS → limites batterie → PCS
EMS → consignes de puissance → PCS
Le PCS se trouve donc au centre des échanges énergétiques du BESS.
Conclusion
Le PCS – Power Conversion System est l’équipement qui permet à la batterie d’échanger réellement de l’énergie avec le réseau électrique.
Sa fonction principale peut être résumée simplement :
Charge : AC → DC
Décharge : DC → AC
Mais son rôle va beaucoup plus loin.
Il contrôle la puissance active, peut participer à la gestion de la puissance réactive, surveille les grandeurs électriques, se synchronise avec le réseau et communique avec les autres systèmes du BESS.
Il faut retenir :
BMS → connaît et protège la batterie
PCS → convertit et contrôle la puissance
EMS → décide quand et combien charger ou décharger
Notre architecture devient maintenant :
Cellule → Module → Rack → BMS → PCS
Il nous reste donc à étudier le niveau supérieur chargé de décider comment utiliser toute cette énergie :
EMS – Energy Management System
Ce sera le sujet du prochain article.
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