Comment dimensionner les câbles d'alimentation en courant continu
Dans cet article, les calculs de dimensionnement des câbles sont effectués conformément à la norme AS/NZS 3008.1 qui est similaire aux normes CEI. Cette norme définit les propriétés électriques des câbles dans des conditions et des dispositions d'installation typiquement australiennes. Elle s'applique aux systèmes de courant alternatif (CA) jusqu'à 0,6/1,0 kV inclus. Bien que son titre mentionne les "tensions alternatives", cette norme peut s'appliquer aux installations à courant continu (CC). La norme AS/NZS 3008.1 répond aux exigences du circuit, y compris la capacité de transport de courant, la chute de tension et la limite de température de court-circuit, tout en minimisant les coûts de l'ensemble du système photovoltaïque (PV).
Le dimensionnement des câbles CC a des implications considérables sur les performances, le coût total et la sécurité des systèmes photovoltaïques. En outre, la conformité avec les normes en vigueur doit être garantie. Cet article traite des calculs de l'intensité nominale et de l'élévation de la tension des câbles CC.
Différences entre les câbles à courant continu et les câbles à courant alternatif
Les câbles à courant continu sont largement utilisés dans les centrales solaires. En effet, la construction des câbles à courant continu est totalement différente de celle des câbles à courant alternatif. Le cuivre est le principal matériau utilisé dans les câbles à courant continu en raison de sa grande flexibilité, de sa capacité de transport du courant et de ses performances thermiques. En outre, le cuivre par unité de longueur des câbles à courant continu est différent de celui des câbles à courant alternatif en raison de l'absence d'effet de peau dans les câbles à courant continu ; par conséquent, la capacité d'évacuation de la puissance des câbles à courant continu et des câbles à courant alternatif est différente, et les câbles à courant alternatif ne doivent donc pas être utilisés pour l'évacuation de la puissance des câbles à courant continu. En effet, les câbles à courant continu n'évacuent pas la puissance de la même manière que les câbles à courant alternatif. Ce travail se concentre sur le dimensionnement des câbles CC pour les applications des systèmes PV conformément à la norme AS/NZS 3008.1. En outre, on suppose que deux segments de câbles CC relient la chaîne PV au boîtier de jonction du réseau (AJB) et l'AJB à l'onduleur.
Nomenclature
| Icable(chaîne PV à AJB) | Courant nominal du câble CC - De la chaîne PV à l'AJB |
| Module IPV au MPP | Courant PV nominal au point de puissance maximale |
| DF | Facteur de dérivation |
| Icâble(AJB à l'onduleur) | Courant nominal du câble CC - De l'AJB à l'onduleur |
| Imax Entrée onduleur DC | Courant d'entrée maximal de l'onduleur CC |
| ISCmax PV Mod | Courant maximal de court-circuit du module PV |
| ISCPV Mod | Courant de court-circuit du module PV |
| αi | Coefficient de température du courant de court-circuit du module PV |
| βv | Coefficient de température de la tension du module PV en circuit ouvert |
| VOCPVMod | Tension du module PV en circuit ouvert |
| Tcellmax | Température maximale de la cellule |
| Câble DC Vrise | Augmentation de la tension de tous les câbles CC - de la chaîne PV à l'onduleur |
| La chaîne de la Vriseà l'AJB | Elévation de tension du câble CC - De la chaîne PV à l'AJB |
| VriseAJB to inverter | Augmentation de la tension du câble CC - De l'AJB à l'onduleur |
| Chaîne VPV | Tension de la chaîne PV |
| Module VPV à MPP | Tension nominale du module PV au point de puissance maximale |
| NPV / string | Nombre de modules PV dans la chaîne |
| Onduleur VMPPTmin | Tension d'entrée minimale de l'onduleur MPPT |
| Inverseur VMPPTmax | Tension d'entrée maximale de l'onduleur MPPT |
| VPV Mod min | Température minimale du module PV à Tcellmax |
| VPV Mod max | Température maximale du module PV à Tcellmin |
| Tcellmax | Température maximale de la cellule |
| Tcellmin | Température minimale de la cellule |
| Tambientmin | Température ambiante minimale |
| Tambientmax | Température ambiante maximale |
| NOCT | Température nominale de fonctionnement de la cellule |
| G | Moyenne horaire de l'irradiation du plan de réseau (W/m²) |
| Câbleentre la chaîne PV et l'AJB | Longueur du câble CC de la chaîne PV à l'AJB |
| Istring au MPP | Courant de la branche PV au point de puissance maximale |
| Lcable(AJBtoinverter) | Longueur du câble CC de l'AJB à l'onduleur |
| Iarrayau MPP | Courant du réseau PV au point de puissance maximale |
- Puissance (W) : Puissance CA du système PV.
- Tensions (V): Tensions du module PV (tensions nominales et en circuit ouvert) et de l'onduleur (tensions MPPT minimales et maximales).
- Courant (kW, kVA, A): Courants du module PV (courants nominal et de court-circuit) et de l'onduleur (courant continu d'entrée maximal)
- Températures (°C): Les températures ambiantes maximale et minimale du site localisé.
- Distance (m, ft): Estimation de la longueur du câble ou du fil en mètres ou en pieds.
- Type de câble : Nombre d'âmes dans le câble. Ignorer le conducteur neutre et le conducteur de terre dans les câbles triphasés.
- Type d'isolation : Généralement, thermoplastique (PVC) ou thermodurcissable (XLPE). La sélection correcte de la température nominale est cruciale.
- Nombre de câbles parallèles : Généralement, un seul câble. Plus d'un câble peut être sélectionné pour les scénarios à forte charge. Si le type de câble est un câble à âme unique, ce paramètre désigne des ensembles de câbles ; par exemple, six câbles sont pris en compte si deux câbles parallèles sont sélectionnés pour un câble de type "trois câbles à âme unique".
- Installation du câble : La section la plus défavorable de l'installation du câble doit être prise en compte.
1. Calcul du courant nominal
Dans les systèmes PV, il existe deux circuits CC : le premier circuit est entre la chaîne PV et l'AJB et le second segment est entre l'AJB et l'onduleur.
Le courant nominal des câbles à courant continu pour le premier segment est obtenu en tenant compte des conditions suivantes :
Condition 11 : Le courant nominal du câble doit être égal ou supérieur au courant de la chaîne PV,
Condition 12 : Le choix du calibre du câble doit être basé sur les températures ambiantes et de terre admissibles. En général, les tableaux de conception utilisent les températures ambiante et au sol comme étant respectivement de 40 et 25°C.
Condition 13 : Le choix du courant nominal doit être basé sur le type de câble, le type d'isolation et la méthode d'installation du câble.
Selon les conditions ci-dessus et dans certains cas, un facteur de déclassement (DF) est pris en compte dans les tableaux de conception (tableaux 22-27 dans AS/NZS 3008). En ce qui concerne les câbles dotés d'un DF, le calcul du courant nominal du câble dans la condition 11 doit être mis à jour comme suit :
En conséquence, les conditions 12 et 13 doivent être suivies pour sélectionner une zone de section appropriée en fonction du nouveau courant de l'onduleur. À ce stade, une section initiale du premier segment peut être sélectionnée.
Le deuxième segment des câbles CC se trouve entre l'AJB et l'onduleur. Le courant nominal du deuxième segment peut être obtenu sur la base des conditions suivantes :
Condition 21 : Le courant nominal du câble doit être égal ou supérieur à la somme du courant alternatif de l'onduleur et du courant de charge,
où,
Condition 22 : Le choix du calibre du câble doit être basé sur les températures ambiantes et de terre admissibles. Généralement, les tableaux de conception utilisent les températures ambiante et au sol comme étant respectivement de 40 et 25°C.
Condition 23 : Le choix du courant nominal doit être basé sur le type de câble, le type d'isolation et la méthode d'installation du câble.
Selon les conditions ci-dessus et dans certains cas, un facteur de déclassement est pris en compte dans les tableaux de conception (tableaux 22-27 dans AS/NZS 3008). En ce qui concerne les câbles dotés d'un DF, le calcul du courant nominal du câble dans la condition 21 doit être mis à jour comme suit :
En conséquence, les conditions 22 et 23 doivent être suivies pour sélectionner une zone de section appropriée en fonction du nouveau courant de l'onduleur. À ce stade, une section initiale du second segment (câble CC du réseau de consommation) peut être sélectionnée. Après avoir dimensionné les premier et deuxième segments du câble CC, le calcul de l'élévation de tension doit être effectué pour confirmer que les câbles CC sélectionnés garantissent l'élévation de tension CC visée.
2. Calcul de l'élévation de tension
L'élévation de tension des câbles sélectionnés est calculée après avoir choisi la section des câbles à l'aide des valeurs nominales de courant. L'élévation de la tension continue (VriseDC câble) de la chaîne PV à l'onduleur peut être calculée comme suit :
Lavaleur maximale de l'onduleur VMPPT et lavaleur minimale de VPV Mod peuvent être calculées comme suit :
En conséquence, les Tcellmin et Tcellmax peuvent être calculés à l'aide de l'équation de la température de la cellule sur la base des températures ambiantes minimales et maximales, comme suit :
où,
où,
Par conséquent, la chute de V du câble CC ≤ la valeur calculée à l'aide de l'Eq.(7) ; sinon, la longueur des câbles CC de la chaîne PV à l'AJB et/ou celle de l'AJB à l'onduleur doit être augmentée pour garantir l'élévation de tension requise.
L'exemple suivant est inclus pour clarifier l'application des méthodes normalisées dans des cas réels.
Exemple 1 : La puissance de sortie en courant alternatif d'un système photovoltaïque doit être de 82,8 kW. Les données suivantes sont disponibles sur le site :
- Onduleurs ABB
- Modules photovoltaïques génériques de 250 Wp
- Latitude = 97 et Longitude = 35.91
- Rayonnement quotidien sur la surface inclinée = 5,93 kWh/m².
- Longueur totale du câble DC= 70 m
- Température ambiante maximale = 40 °C
- Température ambiante minimale =-5 °C
Il est nécessaire de dimensionner correctement les câbles de courant continu pour cet exemple.
Solution :
- La puissance de sortie en courant alternatif est égale à 8 kW.
- En fonction de la disponibilité des onduleurs ABB, les onduleurs adaptés à cette puissance sont de 50 kW(TRIO-50.0-TL-OUTD) et de 33 kW(PRO-33.0-TL-OUTD), qui sont des onduleurs triphasés.
- La puissance du module PV doit être de 250 Wp. Dans cet exemple, le module Trina Solar TSM-250-PC-PA05A peut être utilisé.
- Câble DC de la chaîne PV à l'AJB= 2 m
- Câble DC de l'AJB à l'onduleur = 10 m
- Deux câbles DC sont de type unipolaire
- Le type d'isolation est thermoplastique (PVC)
- L'installation des câbles se fait dans l'armoire de câblage à l'air libre
1. Calcul du courant nominal :
1.1. De la chaîne PV à l'AJB
Le courant nominal du module PV au STC est égal à 8,2 A. Par conséquent, le courant du câble doit être égal ou supérieur au courant nominal du module PV. C'est pourquoi,
C'est pourquoi,
En fonction du courant nominal du module PV, du type de câble et des conditions d'installation, la section transversale est sélectionnée à partir de la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, tableau 10, colonne 11 ; ainsi, la section transversale appropriée du câble CC entre la chaîne PV et l'AJB est de 4 mm².
1.2 De l'AJB à l'onduleur
Le deuxième segment relie AJB à l'onduleur. Dans cet exemple, deux onduleurs nécessitent deux câbles CC différents entre les deux panneaux et ces onduleurs, en fonction de la puissance de l'onduleur.
A. Onduleur de 50 kW (TRIO-50.0-TL-OUTD) / Réseau 1
Le nombre de chaînes en parallèle est calculé comme suit :
Selon la fiche technique du module PV, ISC = 8,9 A, Tcde Isc = 0,053%/°C,TMaxcell et= 56,060525 °C.
Ainsi,
Comme l'onduleur peut charger 120 % de sa capacité totale, la puissance maximale est de 60 kW. Le nombre de branches étant supposé être de 26 modules PV par branche, la tension totale au MPP est de 793 V. Par conséquent, le courant requis pour couvrir la puissance maximale est de 75,7 A. Le nombre requis de branches en parallèle est donc de 9,22. Par conséquent,
Dans ce réseau, dix branches forment le réseau PV. Il est donc recommandé d'utiliser un AJB d'une dimension de 10 mm × 4 mm comme entrée. En outre, la section transversale du câble de sortie de l'AJB peut être calculée comme suit :
Ainsi,
En fonction du courant nominal du module PV, du type de câble et des conditions d'installation, la section transversale est sélectionnée à partir de la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, tableau 10, colonne 11 ; ainsi, la section transversale appropriée du câble CC pour ce réseau (AJB vers interrupteur CC) est de 25 mm².
B. 33 kW (PRO-33.0-TL-OUTD) / Réseau 2
Le nombre de chaînes en parallèle peut être calculé comme suit :
Selon la fiche technique du module PV, ISC = 8,9 A, Tcde Isc = 0,053%/°C,TMaxcell et = 56,060525 °C.
Ainsi,
Comme l'onduleur peut charger 120 % de sa capacité totale, la puissance maximale est de 39,6 kW. Le nombre de branches étant supposé être de 27 modules PV par branche, la tension totale au MPP est de 823,5 V. Par conséquent, le courant requis pour couvrir la puissance maximale est de 48,1 A, et le nombre requis de branches en parallèle est de 5,86. Ainsi,
Dans ce réseau, six branches forment le réseau PV. Il est donc recommandé d'utiliser un AJB d'une dimension de 6 mm × 4 mm comme entrée. En outre, la section transversale du câble de sortie de l'AJB peut être calculée comme suit :
En fonction du courant nominal du module PV, du type de câble et des conditions d'installation, la section transversale est sélectionnée à partir de la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, tableau 10, colonne 11 ; ainsi, la section transversale appropriée du câble CC pour ce réseau (AJB vers interrupteur CC) est de 10 mm².
2. Calcul de l'élévation de tension :
Selon la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, la chute de tension pour le câble d'une section de 4 mm² est de 14,3 V/A.km. Comme le courant du module PV au MPP est égal à 8,2 A et que la longueur du câble CC de la branche à l'AJB est supposée être de 2 m, la chute de tension de la branche PV à l'AJB (Vdrop, branche à AJB) est égale à 0,235 V dans les deux réseaux.
Dans cet exemple, l'irradiation quotidienne sur la surface inclinée est égale à 5,93 kW/m². Le rayonnement solaire moyen (𝑆) est donc de 494,17 W/m².
Les températures ambiantes minimales et maximales sur ce site sont respectivement de -5 et 40 °C. En outre, la température nominale de fonctionnement de la cellule (NOCT) est de 46 °C. Par conséquent, les températures minimale et maximale de la cellule peuvent être obtenues comme suit :
En outre, VMPP = 30,5 V, Tcde voc=-0,32%/°C, et compte tenu des températures minimale et maximale des cellules, les tensions minimale et maximale du module à MPP peuvent être calculées comme suit :
A. Onduleur de 50 kW (TRIO-50.0-TL-OUTD) / Réseau 1
On suppose que les modules PV seront dans la plage de la tension MPPT ; ainsi, la tension moyenne de la chaîne PV est de 640 V, et la chute de tension de conception est égale à 1,3 %.
Par conséquent, la longueur de la chaîne (nombre de modules PV par chaîne) peut être obtenue comme suit :
Ainsi,
Dans ce réseau, la section du câble CC pour ce réseau (AJB à l'interrupteur CC) est de 25 mm². Selon la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, la chute de tension pour une section de 25 mm² est de 2,23 V/A.km. Comme le courant de branche à MPP est égal à 8,2 A et que la longueur du câble CC de l'AJB à l'onduleur est de 10 m, la chute de tension de l'AJB à l'onduleur (Vdrop,AJB à l'onduleur ) est égale à 0,128 V.
Pour cet onduleur, le nombre de modules PV par branche est de 26, et la tension de chaque module PV à MPP est de 30,5 V.
Ainsi, la chute de tension pour une section de 25 mm² est de 2 ,23 V/A.km,
Ainsi,
L'équation (8) est utilisée pour calculer la chute de tension pour chaque chaîne, comme suit :
B. 33 kW (PRO-33.0-TL-OUTD) / Réseau 2
Selon la fiche technique du PRO-33.0-TL-OUTD, VminMPPT, onduleur = 580 V et VminMPPT, onduleur = 850 V.
On suppose que les modules PV seront dans la plage de la tension MPPT ; ainsi, la tension moyenne de la chaîne PV est de 715 V, et la chute de tension de conception est égale à 1,1 %.
Par conséquent, la longueur de la chaîne (nombre de modules PV par chaîne) peut être obtenue comme suit en utilisant l'équation (1) comme suit :
Ainsi,
Dans ce réseau, la section du câble CC pour le réseau (AJB à l'interrupteur CC) est de 10 mm². Selon la norme AS/NZS 3008.1.1:2017, la chute de tension pour une section de 10 mm² est de 5,46 V/A.km. Comme le courant de branche au MPP est égal à 8,2 A et que la longueur du câble CC de l'AJB à l'onduleur est de 10 m, la chute de tension de l'AJB à l'onduleur (Vdrop,AJB à l'onduleur) est égale à 0,448 V.
Pour cet onduleur, le nombre de modules PV par chaîne est de 27, et la tension de chaque module PV au MPP est de 30,5 V.
Ainsi,
L'équation (8) est utilisée pour calculer la chute de tension pour chaque chaîne, comme suit :
