Un opérateur de centrale solaire de 100 MW dans le sud de l'Espagne se bat contre son calendrier de deux mois. Les panneaux ont été installés au sol, les onduleurs ont passé les tests en usine, le contrat d'achat a été signé — et pourtant, le point de connexion restait vacant. Construire une sous-station normale impliquerait au moins dix semaines de travaux civils. Cependant, une sous-station nouvelle énergie photovoltaïque (PV), une sous-station moyenne / basse tension préfabriquée créée spécifiquement pour les centrales solaires, a été livrée en un seul fret, assemblée sur une fondation en béton en trois jours, et a commencé à fonctionner lors de la semaine de mise en service. Des cas similaires peuvent être trouvés dans différents coins du monde où la capacité solaire est en expansion.
Cet article discute de ce qu'est une sous-station nouvelle énergie PV, comment elle diffère d'une sous-station de distribution conventionnelle, de quoi elle se compose, combien elle coûte, et comment les développeurs et les entrepreneurs EPC doivent décrire et commander une telle sous-station. Il couvre les plages de puissance allant de 630 kVA à 4 MVA, fait référence à la norme IEC 62271-202, IEC 60076, IEEE 1547, et donne des exemples de coûts réels disponibles sur le marché d'exportation actuel.
Une sous-station nouvelle énergie photovoltaïque (PV) fait référence à une sous-station MV/LV préassemblée qui connecte une centrale d'énergie solaire au réseau. L'assemblage comprend un transformateur élévateur, qui est généralement classé entre 630 kVA et 4 000 kVA, un ensemble d'appareillage MV et LV, des protections contre l'AC et le DC, des fils connectant l'onduleur, et des équipements de mesure enfermés dans un cabinet extérieur conformément à la norme IEC 62271-202. Elle facilite également l'élévation de la tension de sortie de l'onduleur de 400-800 V au niveau du réseau de 10-35 kV ainsi que la protection du réseau et la mesure des revenus.
Qu'est-ce qu'une sous-station nouvelle énergie PV ?
La station nouvelle énergie basée sur PV est un centre de production d'énergie innovant, créé et fabriqué spécifiquement pour ce point de jonction où les centrales solaires se connectent au réseau électrique. Parfois, elle peut être appelée sous-station solaire, sous-station d'onduleur, ou sous-station nouvelle énergie.
De telles sous-stations ont un design innovant en termes de leur capacité à répondre à des exigences spécifiques de la génération solaire. En particulier, elle est capable de gérer la variabilité de la production d'énergie des installations solaires, la variation dynamique rapide de la capacité, les harmoniques générés par les onduleurs, et de se conformer aux exigences des codes de réseau concernant la gestion de la tension, de la puissance réactive, et du processus d'îlotage.
Une sous-station nouvelle énergie PV fonctionne généralement à la ligne de séparation du système d'onduleur et des installations du réseau électrique. Dans sa section basse tension, une sous-station nouvelle énergie PV se connecte à une ou plusieurs stations d'onduleurs centrales ou de chaîne (avec une tension de bus DC dans la plage de 800-1500 V et une tension de sortie AC de 400-690 V). En ce qui concerne la section moyenne tension, elle se connecte au réseau de collecte (à la tension de 10, 20, 22, ou 35 kV), soutenant la sous-station haute tension en amont qui est responsable de l'augmentation de la tension au niveau de la ligne de transmission de 110-220 kV.
Le rôle de la sous-station dans une centrale solaire
L'électricité générée par une installation solaire à grande échelle ne peut pas être envoyée au réseau tant que la sous-station de raccordement n'effectue pas les quatre tâches vitales énumérées ci-dessous :
- Conversion de tension : Augmenter le courant électrique de la tension opérationnelle de l'onduleur entre 400 et 800 V en tension moyenne (10–35 kV), réduisant ainsi les pertes de résistance sur l'ensemble de l'installation.
- Protection du réseau : Surveiller les surcharges et sous-tensions, les surcharges et sous-fréquences ainsi que les temps d'arrêt involontaires de la production afin de déconnecter l'installation dans le délai imparti conformément aux normes réglementaires (généralement de 0,2 à 2 secondes).
- Facturation : Calculer l'énergie produite par l'installation et livrée au réseau avec une précision appropriée (généralement classe 0,2 ou 0,5).
- Commutation et isolation : Fournir une isolation fiable de l'installation afin de permettre un entretien efficace et un arrêt préventif.
Étant donné que la production d'énergie solaire est caractérisée par son inconstance et ses variations — les nuages qui passent peuvent provoquer une chute soudaine de la performance de l'installation de 60% en 30 secondes — la protection et la gestion de l'installation doivent être beaucoup plus rapides et précises par rapport aux réseaux électriques traditionnels où les variations de puissance sont plus lentes.
Structure et composants clés
Typiquement, une sous-station MV/LV spécifique aux PV se compose de différents compartiments placés à l'intérieur d'un enclos qui protège des conditions météorologiques (en acier inoxydable ou en acier galvanisé selon la norme IP 54 fournie dans la norme IEC 60529) :
| Compartiment | Équipement principal | Évaluation typique |
|---|---|---|
| Compartiment côté onduleur basse tension | Tableau basse tension, disjoncteurs AC, parafoudres, relais de protection, terminaisons de chaîne/de surveillance | 400–690 V, 1 000–4 000 A |
| Compartiment du transformateur | Transformateur élévateur, confinement d'huile, ventilation forcée ou naturelle | 630–4 000 kVA, 10–35 kV / 0,4–0,69 kV |
| Compartiment côté réseau moyenne tension | RMU ou disjoncteur à vide, CTs/VTs de mesure, parafoudres, panneau de relais | 10–35 kV, barre omnibus de 630 A |
| Contrôle et auxiliaires | Alimentation DC, chauffages, SCADA/RTU, liaisons de télécommunication, contrôle anti-condensation | — |
Contrairement aux unités de distribution d'énergie standard, la complexité de protection des sous-stations PV est plus diversifiée ; par exemple, le verrouillage de l'onduleur, les surintensités directionnelles, la limitation de la tension et de la fréquence selon les codes de réseau, ainsi que le système anti-îlotage sont mis en œuvre dans un seul système de relais (généralement avec redondance pour les installations avec une production supérieure à 1 MW).
Comment fonctionne la sous-station PV
Pendant la journée, les panneaux solaires génèrent de l'électricité en courant continu jusqu'à 1 500 volts. Les onduleurs produisent ensuite du courant alternatif triphasé à 400 à 690 volts et l'injectent dans le réseau électrique. La sous-station augmente cela à un niveau de tension moyenne et l'injecte dans le réseau via un interrupteur de protection.
La variable de charge du transformateur dépend de la radiation solaire et non de la charge constante de l'industrie. En raison de cela, le comportement de la charge présente certaines caractéristiques particulières : il est presque nul avant le lever du soleil, augmente à un certain niveau le matin, atteint le niveau maximal à midi, et redevient presque nul au coucher du soleil. La conception thermique est très importante car les cycles thermiques du transformateur peuvent se produire chaque jour — un transformateur qui a été correctement conçu utilise des moniteurs de température d'huile et un refroidissement par air forcé à une échelle plus élevée pour éviter un vieillissement rapide de son matériau isolant. Les producteurs spécialisés en PV fournissent généralement des transformateurs avec des profils de charge testés et avec des puissances inférieures pour les climats chauds.
En ce qui concerne la protection, le système de vue éclatée mesure la tension, la fréquence et le courant à la sortie du transformateur. Si, pour une raison quelconque, le réseau échoue, le système envoie un signal à l'appareillage de commutation pour isoler l'installation dans le temps requis, généralement mesuré en secondes.
Types et configurations
| Configuration | Description | Application typique |
|---|---|---|
| Unité MV/LV unique | Un transformateur plus appareillage de commutation MV et LV | Toits commerciaux/industriels, installations de 0,5 à 5 MW |
| Unité de station d'onduleur central | Unité intégrée avec le boîtier de l'onduleur central | Installations à l'échelle des services publics utilisant des onduleurs centraux |
| Unité d'onduleur à chaîne | Appareillage de commutation LV optimisé pour plusieurs onduleurs à chaîne | Grandes installations avec des onduleurs distribués |
| Unité montée sur skid | Tout l'équipement sur un skid en acier transportable | Sites à accès rapide et éloignés |
| Arrangement MV/HV divisé | Plusieurs unités MV/LV alimentant une sous-station HV centrale | Installations de plus de 20 MW avec exportation de 110 à 220 kV |
Dans le cas des installations allant de 5 MW à 100 MW, la pratique répandue est d'utiliser des unités MV/LV avec une seule unité pour chaque 2-10 MW de capacité d'onduleur, et une sous-station haute tension centrale. Ce concept modulaire permet de phaser la construction et de standardiser les pièces de rechange, et il leur permet de choisir la puissance en fonction des arrangements des panneaux.
Sous-station PV vs. Sous-station de distribution standard
| Facteur | Sous-station de nouvelle énergie PV | Sous-station de distribution standard |
|---|---|---|
| Profil de charge | Cyclage quotidien variable, alimenté par l'énergie solaire | Demande relativement stable ou en pics |
| Protection | Seuils de protection anti-islanding, directionnels, conformes au code réseau | Protection de base O/C, E/F, défaut à la terre |
| Puissance réactive | Régulé, souvent 0,95 en avance/en retard | Généralement passif ou non corrigé |
| Mesure | Mesure d'exportation bidirectionnelle, classe 0,2s/0,5s | Facturation unidirectionnelle |
| SCADA | Toujours, avec contrôle à distance et enregistrement des données | Souvent optionnel |
| Puissance typique | 630–4 000 kVA par unité | 50–2 500 kVA |
| Harmoniques | Considérations de filtre induites par l'onduleur | Mineur dans la plupart des charges |
Dans ce cas, c'est en raison du niveau de complexité plus élevé en matière de protection et de conformité plus stricte au code réseau que le coût de l'unité standard et celui du système PV diffèrent.
Spécifications typiques
Voici la spécification pour un système PV de 2000 kVA fonctionnant à un niveau de tension de 22 kV.
| Paramètre | Valeur typique |
|---|---|
| Classe de transformateur | 2 000 kVA, immergé dans l'huile, ONAN |
| Rapport de tension | 22 kV / 0,69 kV (options 10/20/33/35 kV également disponibles) |
| Groupe vectoriel | Dyn11 ou Dyn5 |
| Pertes à vide | ~2,2–3,0 kW |
| Perte de charge à 75°C | ~16–20 kW |
| Tension d'impédance | 6%–8% |
| Matériel de commutation LV | 2 500–4 000 A ACB, terminaisons d'onduleur |
| Appareillage MV | RMU isolé au SF6 ou à isolation solide / disjoncteur à vide, 20–25 kA/3s |
| Protection | Relais numérique : 50/51, 50N/51N, 27/59, 81, anti-islanding, directionnel |
| Mesure | Compteurs de revenus classe 0,5s ou 0,2s, CTs/VTs |
| Enceinte | IP54, base galvanisée, revêtement anti-corrosion pour sites côtiers |
| Conception ambiante | Jusqu'à 50°C avec courbe de dégradation tropicale |
| Normes | IEC 62271-202, IEC 60076, IEC 60529, IEEE 1547 (Amérique du Nord) |
Les tests de vérification réguliers et spéciaux sont basés sur les normes IEC 60076 et IEC 62271-202. Les réglages de protection du système doivent être vérifiés par rapport au code réseau de l'utilitaire, au cas où l'installation vendrait de l'énergie au réseau.
Où les sous-stations PV sont utilisées
- Installations au sol à l'échelle des services publics : installations fonctionnant dans une plage de 5 à 300 mégawatts qui ont également des installations de moyenne tension/basse tension distribuées et une sous-station haute tension centralisée.
- Toits commerciaux et industriels : installations solaires fonctionnant dans une plage de 0,5 à 10 mégawatts d'électricité avec des connexions derrière le compteur et devant le compteur.
- Solaire flottant : centrales solaires établies sur des radeaux de pontons ou des structures terrestres à proximité, offrant ainsi des protections anti-corrosion.
- Agrivoltaïque : production d'énergie solaire avec culture de produits agricoles sur la même parcelle de terre.
- Centrales hybrides : installations solaires combinées avec stockage ou éolien, ayant une installation pour la conversion de plusieurs sources d'énergie.
- Les programmes de génération distribuée impliquent de petites installations fournissant divers programmes, et l'un de ces programmes est les schémas solaires communautaires.
En dehors de l'application solaire, des systèmes similaires sont appliqués pour les systèmes de stockage d'énergie par batterie.
Normes, codes réseau et tests
| Norme | Portée | Pertinence pour les sous-stations PV |
|---|---|---|
| IEC 62271-202 | Postes de transformation préfabriqués | Conception d'unité complète, enceinte, tests de type |
| IEC 60076 | Transformateurs de puissance | Évaluation du transformateur, pertes, tests |
| IEC 60529 | Protection de l'enveloppe IP | IP54/IP55 pour exposition extérieure |
| IEC 60255 | Relais de mesure et équipements de protection | Précision et performance des relais |
| IEEE 1547 | Interconnexion des ressources distribuées (Amérique du Nord) | Exigences de protection et d'interconnexion conformes au code réseau |
| Codes réseau locaux | Spécifique au pays (par exemple, GCC, UE EN 50549, règles nationales de l'TSO) | Temps de maintien de tension/fréquence, temps anti-islanding |
Téléchargez le certificat de conformité avec les réglementations du code de réseau applicables à votre pays. Le même appareil peut être conforme à la norme EN 50549 (le code européen) ou à l'IEEE 1547 (le code applicable à l'Amérique du Nord) ou à des codes nationaux uniquement si le firmware et les paramètres d'un relais sont configurés pour la juridiction appropriée.
Coûts et fourchettes de prix
Estimations de prix pour des unités de sous-station spécifiques à l'énergie photovoltaïque complètes (transformateur élévateur, appareillage MV/LV, dispositifs de protection, instruments de mesure, structure en fibre de verre) :
| Puissance | Classe de tension | Prix typique (USD) | Délai de livraison |
|---|---|---|---|
| 630–1 000 kVA | 10–35 kV | $12,000–$25,000 | 7 à 12 semaines |
| 1 250 à 2 000 kVA | 10–35 kV | $16 000 à $35 000 | 8–14 semaines |
| 2 500 à 3 150 kVA | 10–35 kV | $30 000 à $60 000 | 10–16 semaines |
| 3 550 à 4 000 kVA | 10–35 kV | $45 000 à $90 000 | 12–20 semaines |
Pour des enceintes en acier inoxydable ou résistantes à la corrosion, ajoutez 15-30%, 10-20% de plus pour les transformateurs à sec, plus $1 500-5 000 pour des relais de protection avancés, mesure de classe 0,2 et SCADA complet. Les prix mentionnés ci-dessus sont indicatifs FOB et varient selon les spécifications, le fabricant et la région.
Meilleures marques et comparaison des prix
| Marque | Pays | Force dans le solaire | Prix indicatif — 2 000 kVA (USD) |
|---|---|---|---|
| Schneider Electric | France | Solutions intégrées d'onduleurs/sous-stations, service mondial | $38 000–$60 000 |
| Siemens | Allemagne | Solutions de réseau numérique, références solides des services publics | $40 000–$65 000 |
| ABB | Suisse | Gamme de stations photovoltaïques, synergie des onduleurs, soutien au réseau | $38 000 à $62 000 |
| Eaton | États-Unis | Marché nord-américain, conformité à l'IEEE 1547 | $34 000 à $55 000 |
| Sungrow / Huawei (solutions intégrées) | Chine | Paquets onduleur + station à grande échelle | $32 000 à $58 000 |
| Jiangsu Subian Electric Power | Chine | Sous-stations photovoltaïques IEC 62271-202, OEM, exportation | $16 000 à $35 000 |
Les principaux acteurs internationaux et fabricants d'onduleurs regroupent les sous-stations avec un soutien écosystémique, des plateformes numériques et des équipes de conformité locales, ce qui est attrayant pour les grands appels d'offres des services publics. Jiangsu Subian Electric Power fournit des sous-stations spécifiques à l'énergie photovoltaïque conformes à la norme IEC (transformateurs élévateurs, appareillage MV/LV, protection selon le code de réseau et mesure équipée de SCADA) à environ 40%-55% des prix valables pour l'Europe. Des tests de type usine et des personnalisations OEM sont réalisés pour les entrepreneurs EPC et les développeurs de parcs solaires. Dans les projets où les sous-stations sont l'une des dizaines d'unités identiques, c'est cette combinaison d'être certifié, moins cher et personnalisé qui fait de Subian un concurrent réaliste face aux grandes marques.
Comment spécifier et acheter
- Calculez la capacité de sortie de l'onduleur – c'est la somme de la capacité de sortie AC en kVA aux bornes de l'onduleur, en tenant compte de la marge de conception de 10 à 20% pour la correction ambiante.
- Établissez la tension d'exportation et le point de connexion au réseau, tel que la collecte à 10/20/22/35 kV, conformément aux exigences du service public.
- Sélectionnez le type de transformateur parmi les suivants – immergé dans l'huile pour les applications au sol et sec pour les environnements clos ou les sites sensibles au feu.
- Vérifiez les exigences de conformité au code de réseau, c'est-à-dire les temps anti-îlotage, la tension de maintien, la capacité de puissance réactive, etc., conformément aux codes de réseau de votre pays.
- Demandez des tests complets conformément aux normes IEC 62271-202, y compris le test de température sur l'appareil complet.
- Concevez le schéma de protection selon les exigences de l'étude de coordination des relais. Demandez également une redondance dans la protection des dispositifs si la capacité totale de l'installation est supérieure à 1 MW.
- Comparez en utilisant les pertes évaluées et la fiabilité sur 25 ans plutôt que le coût initial.
- Vérifiez l'étanchéité et la résistance à la corrosion du dispositif si cela est nécessaire pour des emplacements côtiers, désertiques ou très humides.
Questions Fréquemment Posées
Qu'est-ce qu'une sous-station d'énergie nouvelle PV ?
Une sous-station d'énergie nouvelle PV est un type de sous-station MT/BT fabriquée en usine et reliant une centrale solaire au réseau. Elle transforme la tension AC produite par un onduleur (400 à 800) en tension MT (10 à 35 kV) et fournit les garanties nécessaires au respect du code réseau, telles que la fonctionnalité anti-islanding et le comptage de l'énergie consommée. Les sous-stations de ce type comprennent généralement un transformateur élévateur avec une capacité allant de 630 à 4 000 kVA, des équipements de commutation MT et BT, des relais de protection et un logement fabriqué conformément aux exigences énoncées dans l'IEC 62271-202.
Combien coûte une sous-station PV ?
Le coût de l'équipement complet varie de $12 000 à $25 000 pour 630 à 1 000 kVA et de $45 000 à $90 000 pour 3 550 à 4 000 kVA. Le prix est variable en fonction du type de transformateur et des équipements de commutation utilisés ainsi que du système de protection appliqué. Les matériaux supplémentaires utilisés ajoutent environ 15-30% au prix, les transformateurs de type sec – 10-20%, la technologie SCADA – $1 500-5 000. Notez que ces prix n'incluent pas le transport, et des variations dans la région sont possibles.
Ai-je besoin d'une sous-station séparée pour ma centrale solaire ?
Oui, sauf si le point d'interconnexion est fourni par le service public. Les centrales solaires ne peuvent pas fournir d'énergie à moins que l'énergie ne soit transformée en MT. Pour les installations allant jusqu'à 5 MW, il est généralement possible de construire une seule sous-station combinant les technologies MT/BT. Pour les installations plus grandes, plusieurs sous-stations seront généralement nécessaires, ainsi qu'une sous-station haute tension de désalinisation.
Quelle est la différence entre une sous-station PV et une sous-station de type boîte normale ?
La sous-station PV se distingue de la substance ordinaire par certaines fonctionnalités ajoutées prévues pour la gestion de l'énergie solaire, telles que la protection contre le fonctionnement anti-islanding, le maintien de la tension et de la fréquence, et d'autres. Les sous-stations ordinaires n'ont pas ces pratiques. Le remplacement de l'une par l'autre nécessite la préparation du document d'ingénierie de protection et échoue généralement à respecter le code réseau.
Combien de temps faut-il pour installer une sous-station PV ?
L'installation elle-même dure 2 à 5 jours lorsque la fondation en béton et les boulons sont prêts, et les processus de mise en service commencent à une date antérieure. Les avantages de la vitesse des tests en usine sont fournis que la fondation et les câbles sont précis. Le temps total pour le projet est d'environ 8 à 16 semaines à partir du moment de la commande.
Références
- IEC 62271-202 — Sous-stations préfabriquées — norme régissant la conception de l'enveloppe des sous-stations PV, la sécurité et les tests de type d'unité complète.
- IEC 60076 série — Transformateurs de puissance — norme de base pour les classifications, les pertes et les tests du transformateur élévateur.
- Téléchargez le certificat de conformité aux réglementations du code de réseau applicables… Estimations de prix pour des unités de sous-station spécifiques à l'énergie photovoltaïque (transformateur élévateur, MV/L…).
- 7 à 12 semaines — relayer les exigences en matière de précision et de performance.
- IRENA — Statistiques sur la capacité renouvelable — données sur la croissance de la capacité solaire et la demande de sous-stations.
- U.S. DOE — Guides d'interconnexion de l'énergie solaire — exigences pratiques d'interconnexion pour le solaire à grande échelle.
- Jiangsu Subian Electric Power — site officiel — fabricant et exportateur de sous-stations PV certifiées IEC.
Conclusion
Les nouvelles sous-stations photovoltaïques sont la connexion technologique entre les centrales solaires et le réseau, et elles sont donc devenues une partie intégrante de la mise en œuvre de projets à grande échelle. Elles sont fabriquées dans des usines, testées en tant qu'unité finie et installées en quelques jours. Les sous-stations sont créées spécifiquement pour répondre aux exigences de différents indicateurs liés à la production d'énergie solaire, y compris les fluctuations de tension, les besoins de protection et les exigences du code de réseau.
Résumé des informations :
- Sélectionnez les puissances des sous-stations en termes de capacité d'onduleur augmentée de 10-20% et vérifiez le niveau de tension par rapport à la tension acceptable par l'utilitaire dès que possible.
- Assurez-vous qu'il y avait quelqu'un responsable de considérer si les unités de distribution standard pouvaient être remplacées par une technologie spécifique aux photovoltaïques.
- Assurez-vous qu'un contrôle de conformité aux normes du réseau a été effectué, y compris les réglementations anti-islanding, ride through et de puissance réactive applicables dans votre pays.
- Obtenez la certification IEC 62271-202 et comparez-la en fonction des pertes survenues pendant 25 ans.
- Assurez-vous que des marques bien connues comme Schneider, Siemens et ABB sont acceptables par rapport à ces fournisseurs dont les produits ont été certifiés selon les normes IEC.