Le choix sur le type d'onduleurs dépend de la configuration du site et des critères économiques du projet. Deux installations de même taille peuvent requérir un système différent car disposant d'une configuration différente.

Les micro-onduleurs et les onduleurs string correspondent à un système décentralisé (voir hyper décentralisé dans le cas des micro-onduleurs) : ils ne gèrent qu'une partie de l'installation. En revanche, les onduleurs centraux vont gérer l'ensemble ou une grosse partie de l'installation photovoltaïque.

Les onduleurs STRING : précis et efficaces

D'une puissance de 1 kW à 50-60 kW, les onduleurs "string"  sont bien adaptés à des installations qui présentent une configuration hétérogène : diverses inclinaisons et orientations, modules et strings de tailles différentes, modules à tolérance de fabrication élevés ou encore ombragés, il est préférable d'opter pour un concept décentralisé - c'est à dire utiliser plusieurs onduleurs-. Rappellons qu'un onduleur recherche le meilleur point de la série de panneaux qu'il gère:  un ensemble de modules branchés en série, on dit qu'ils appartiennent à un même « string ». Avec plusieurs onduleurs, on peut s'adapter aux différents points de fonctionnement des différents ensembles de modules du système. On branche alors un onduleur string avec une série de panneaux aux mêmes caractéristiques. Ajoutons que certains onduleurs "strings" ont plusieurs entrés MPP, ce qui accroît les possibilités de conception du système

Les onduleurs string présentent également la possibilité de remplacer seulement un appareil en cas de besoin (panne, baisse de rendement...) réduisant ainsi l’indisponibilité. Notons également que l'offre d'onduleurs strings autorise une mise à jour du système (retrofit) sans avoir à toucher à l'amont (champ photovoltaïque) et à l'aval (coffret électriques et raccordement).

Côté pratique, enfin, les onduleurs string sont plus petits que les onduleurs centraux aussi l’installation est-elle plus facile.

Les Micro-onduleurs : Bien adaptés à un site complexe

D'une puissance de plusieurs centaines de Watts, ces onduleurs sont couplés à un ou deux modules en parallèle.

Bien que les cellules constituant les panneaux soient triées et appairées en usine pour que les caractéristiques des panneaux soient relativement constantes au sein d'une même série de panneaux, ceux-ci présentent toujours quelques différences. Or le rendement d’un string est directement dépendant du panneau ayant le plus faible rendement. Qu’un panneau soit partiellement recouvert d’ombre (feuille d’arbre, crotte d’oiseau, poussière) ou qu’il présente un léger défaut et c’est tout le string qui en pâtit. Les micro-onduleurs permettent de résoudre ce problème, la production d'un panneau étant alors indépendante de celle des autres. Un panneau qui présente un défaut peut, par ailleurs, être déconnecté en attendant d’être nettoyé ou réparé sans affecter le reste des modules.

L'inconvénient majeur auquel se heurtent encore les micro-onduleurs est leur coût  (fourniture et mise en oeuvre). Un système avec des micro-onduleurs présente une puissance inférieure à 100 kWc la plupart du temps.

L' exploitation d'installations photovoltaïques avec des micro-onduleurs est également plus difficile : il est en effet plus complexe d'avoir une vision globale du fonctionnement de l'installation, statistiquement une panne sur un des onduleurs est plus probable et les interventions en toitures sont difficiles (et coûteuses).

Les onduleurs centralisés : compacité et coûts au watt réduits

D'une puissance de plusieurs centaines de kW, les onduleurs centralisés présentent de nombreux atouts dans le cas de projets présentant de grands générateurs photovoltaïques homogènes. Leur coût au Watt-crête peut être plus faible et la maintenance peut être facilitée car sur un lieu centralisé.

Les grands parcs sont tenus de participer à la gestion du réseau. Celle-ci se révèle beaucoup plus simple à mettre en place avec un nombre d'onduleurs limités. Il en est de même concernant la surveillance du réseau. Au-delà d’une certaine taille d’installation, il devient donc plus judicieux d’opter pour une solution centralisée et plus compliqué de recourir à un système décentralisé.

Le rendement correspond au rapport entre la puissance de sortie et la puissance d'entrée, il est exprimé en pourcentage. Il est égal à 98% en moyenne en 2018 (94,4% en 2007). Une température trop élevée diminue le rendement de l'onduleur.

La puissance d'entrée délivrée par le champ photovoltaïque dépend du nombre de modules, de la puissance individuelle de chacun d'eux, de l'ensoleillement instantané et peut se trouver limitée par une trop forte température ou un mauvais dimensionnement des connectiques.

rendement=\frac{P_{sortie}}{P_{entree}}

Le rendement des onduleurs ne cesse d’augmenter depuis ces dernières années. Cette amélioration participe, bien entendu, à la constante diminution des coûts de l’électricité générée par le PV. Il y a 25 ans, 90% était considéré comme un très bon rendement des onduleurs. .

L’autre amélioration notable est celle du « rendement européen», qui prend en compte l’efficacité à charge partielle de l’onduleur. Plusieurs valeurs de rendement sont données dans les fiches techniques des onduleurs. À cause d’un mauvais rendement à charge partielle, la valeur du Rendement européen est plus faible que celle du rendement maximal mais c'est elle qui est la plus proche de la réalité du fonctionnement de l’élément: le rendement européen est le plus proche de la réalité de fonctionnement de l'élément.

Il y a 25 ans, il pouvait atteindre jusqu’à 5% de moins que le rendement maximal alors qu’aujourd’hui la différence est comprise entre 1 et 2%, pour les meilleurs modèles.

Les valeurs du rendement pour un même onduleur peuvent varier sensiblement avec la tension d'entrée considérée (voir partie sur la performance des onduleurs), et décroître si l’onduleur fonctionne dans un milieu à température ambiante élevée. Si un isolement galvanique n’est pas requis, quelques points de rendements pourront être gagnés grâce à l’utilisation d’onduleurs sans transformateur.

Le rendement maximal est encore amené à augmenter jusqu’à 99% dans les prochaines années. Cette augmentation est possible en optimisant les composants utilisés afin d'avoir le moins de pertes de chaleur possible. Diviser les pertes thermiques par 2, c'est augmenter de 1% l'efficacité (de 98% à 99%) mais aussi améliorer la durée de vie des composants de l'onduleur, très sensibles à la chaleur. Moins de pertes thermiques signifie également que les systèmes de refroidissements ne sont plus nécessaires et que les dimensions des boîtiers des onduleurs peuvent être réduites.

Le choix (ou dimensionnement) d'un onduleur se fait en fonction des performances que l'on attend de lui: Un bon rendement européen  et une bonne adaptation au champ photovoltaïque:

1. une puissance nominale comprise entre 80 et 100% de la puissance du champ photovoltaïque
2. Une gamme de tension d'entrée qui couvre la tension à vide du champ photovoltaïque pour des températures comprises entre -10° et 70°
3. un  bon algorithme de recherche du Point de Performance Maximale (PPM) du champ photovoltaïque

Puissance de l'onduleur

En premier lieu, il s'agit de trouver l'optimum entre la puissance maximale que peut délivrer l'onduleur (sa capacité de transfert d'énergie sans écrêtage) et la puissance délivrée par le champ photovoltaïque en fonctionnement, proportionnelle à l'éclairement. Cette dernière est presque toujours inférieure sous nos latitudes à la puissance crête donnée par le constructeur.

La puissance crête est obtenue par des tests effectués en laboratoire, sous une irradiation de 1 000w/m2 et une température de 25°, la lumière ayant le spectre attendu pour une pression atmosphérique de 1,5 atm. Pour un site donné en France et pour une année, si on analyse la distribution de la puissance atteinte, on s'aperçoit que celle-ci dépasse rarement 80% de la puissance crête et que la contribution énergétique des puissances supérieures est très faible. Pour prendre en compte ce phénomène, on pourra choisir un onduleur de puissance compris entre 80% et 100% de la puissance crête de l'installation.

Gammes de tensions d'entrée

Le champ photovoltaïque délivre un signal électrique dont les deux valeurs principales sont les valeurs de la tension U et de l'intensité du courant I :

• La valeur du courant dépend de l'ensoleillement.
• La valeur de la tension dépend du nombre de modules mis en série et de la tension que délivrent chacun d'eux avec cependant la particularité que la tension maximale qui puisse être atteinte, la tension de circuit ouvert ou tension à vide, diminue quand la température augmente.

La puissance que délivre le générateur est alors égale à [|P = U x I|]

Chaque onduleur n'est adapté aux valeurs caractéristiques du générateur que dans une fenêtre restreinte, que l'on appelle la gamme de tensions d'entrée de l'onduleur. L'onduleur a un rendement plus ou moins élevé selon la tension d'entrée, c'est à dire la tension de sortie du champ photovoltaïque, qui dépend du nombre de modules mis en série et de la tension que délivrent chacun d'eux.

Plus la gamme de tensions d'entrée de l'onduleur est importante, plus il pourra s'adapter à des champs photovoltaïques aux caractéristiques différentes, quelle que soit la température, le nombre de modules en série et la technologie. Une large gamme de tensions d'entrée facilite le choix de l'onduleur lors du dimensionnement du système et facilite la gestion des stocks pour le constructeur.

Certains constructeurs ont donc choisi l'élargissement de la gamme de tensions d'entrée de l'onduleur comme axe d'amélioration de leurs nouveaux produits. Du fait de cette évolution, un module PV de plus ou de moins dans le système ne remet plus forcément en cause le choix de l'onduleur.

Mais il faut toujours faire attention, par temps froid et si le nombre de modules est trop élevé, la tension totale des modules en série peut dépasser la limite supérieure de la plage d'entrée de l'onduleur et provoquer un incident ou la destruction de celui-ci. Pour des températures élevées et un nombre de modules trop faible, la tension risque d'être trop basse et de conduire à un régime de faible rendement ou un arrêt du système. On veillera donc à ce que la gamme de tensions du champ photovoltaïque soit inclue dans la fenêtre d'entrée de l'onduleur et ce sur l'ensemble des températures atteignables (-10 à +70°C en général; en montagne cette gamme de température est élargie)

Il n'est pas suffisant d'avoir une tension de sortie du champ photovoltaïque comprise dans la gamme de tensions d'entrée de l'onduleur pour avoir un rendement maximal Les onduleurs ont eux-mêmes une plage de rendement maximum. Elle peut correspondre à la tension située en haut de la gamme de tensions d'entrée de l'onduleur comme au milieu ou en bas de la gamme.

Par exemple, pour le premier modèle (diagramme de gauche) la gamme de tensions d'entrée est comprise entre 200V et 600V. Mais le rendement maximal ( 95%, jaune) est obtenu pour des tensions qui approchent 600 volts lorsque la puissance effectivement délivrée par l'onduleur au réseau est entre 30% à 110% de la puissance nominale AC (la puissance délivrée lorsque l'onduleur est en charge maximale).

On notera que la puissance délivrée peut être supérieure à la puissance nominale AC. En effet, l'onduleur peut délivrer au réseau pendant un court moment (30 minutes par exemple) une puissance supérieure, mais il chauffe rapidement trop et est vite obligé de réduire sa puissance.

Pour le deuxième modèle (au centre), le rendement maximal (96%) est obtenu pour une tension située en milieu de gamme, à 400 V, pour une puissance effective à 60% de la puissance nominale.

Dans le troisième modèle (à droite), le rendement maximal (95%) correspond cette fois aux tensions les plus basses de la gamme de tensions d'entrée, approchant de 300V.

Il s'agit lors du dimensionnement de bien choisir le nombre de modules que l'on relie en série en fonction de l'onduleur. Pour le troisième modèle, à modules équivalents, on reliera moins de modules que pour le deuxième ou le premier, son rendement maximal correspondant à une tension plus basse et nécessitant donc moins de modules pour y parvenir.

Point de performance maximale

L'onduleur a cette particularité de rechercher le meilleur point de fonctionnement du système, le PPM : point de puissance maximale (ou MPP en anglais).

La valeur du courant délivrée par le champ photovoltaïque dépend de l'ensoleillement et la valeur de la tension dépend du nombre de modules et de la tension que délivrent chacun d'eux. La tension maximale qui puisse être atteinte, la tension de circuit ouvert ou tension à vide, diminue quand la température augmente et inversement. Pour un même champ photovoltaïque, il s'agit donc d'essayer d'avoir un éclairement fort avec une température basse, c'est pourquoi le refroidissement des modules est si important.

La puissance que délivre le générateur est égal à [|P = U x I|]

Pour fonctionner de manière optimale, l'onduleur doit connaître la caractéristique P = U x I (voir schéma) afin de s'adapter à elle. On dit que l'onduleur « cherche » le PPM, qui correspond au point ou la puissance P est la plus grande : [|Pppm = Umax x Imax|]

Mais les valeurs d'ensoleillement et de température sont variables. Elles peuvent changer rapidement. Grâce à son système électronique intégré, l'onduleur dispose d'un dispositif de suivi du PPM : le dispositif de MPP Tracking (MPPT, en anglais). L'onduleur s'adapte ainsi en permanence au signal que lui envoie les panneaux pour chaque fois retrouver le PPM et maximiser la quantité d'énergie qui sort de l'onduleur.

Il est difficile de mesurer la qualité avec laquelle l'onduleur se positionne bien sur le PPM. Selon les procédés utilisés pour la recherche du PPM, des écarts de rendements plus ou moins importants apparaissent, ce qui peut réduire la production d'énergie de l'ensemble de l'installation.