Solution technique - Août-Septembre 2015
Onduleurs : évolutivité et modularité
Comment assurer l’évolutivité des onduleurs de puissance grâce à la notion de modularité, sans pour autant compromettre la disponibilité globale de l’installation ? La réflexion doit, entre autres, intégrer la question du bypass et de la fiabilité des systèmes mis en oeuvre.
Sur les installations de petite et moyenne puissance, notamment dans les baies de serveurs, les onduleurs off-line disposent de possibilité de redondance, via un by-pass. Manuel, ce dernier permet notamment d’effectuer des opérations de maintenance. Automatique, il donne la possibilité d’effectuer un lien entre plusieurs onduleurs afin de permettre une reprise de charge lorsqu’un module de puissance vient à défaillir. Le tout sous le contrôle d’un logiciel de gestion/repli spécifique. À cela, il ne faut pas oublier de planifier régulièrement, à des périodes non critiques, le test de l’installation en matière de basculement et de continuité de service. Aujourd’hui, les équipements d’onduleurs sont également en lien avec le monde des logiciels de virtualisation. Ainsi, en cas de problème détecté sur un onduleur donné, l’outil informatique peut déclencher la migration de données d’un serveur vers un autre serveur pour le coup pleinement assuré d’être recouru.
Modularité : un atout à plusieurs titres
Pour les installations de forte puissance notamment, plusieurs facteurs jouent en faveur de la modularité des onduleurs. Tout d’abord, en utilisant un onduleur dont l’électronique de contrôle gère plusieurs modules de puissance, ce qui permet de charger à capacité nominale un grand nombre de ces modules au sein d’un même onduleur. Plusieurs conséquences à cela : un rendement énergétique proche de l’optimum et une durée de vie des modules accrue. Grâce aux progrès de l’électronique du module de gestion, un module de puissance défaillant peut aujourd’hui voir sa charge reprise par un module tiers en moins de deux millisecondes.
Évolutivité et by-pass
Une des préoccupations majeures dans la conception d’installations d’onduleurs de forte puissance évolutives consiste à disposer d’un by-pass adéquat à tous les stades du développement de l’installation. Ainsi, des modules de puissance peuvent facilement être ajoutés à mesure que la demande en puissance augmente. Dans de nombreux cas, chaque module est muni de son propre système by-pass, sous la forme d’un commutateur statique à semi-conducteurs. La capacité de contournement augmente ainsi automatiquement à mesure que l’installation évolue. Mais ce type de conception (avec un by-pass statique interne pour chaque onduleur) pose toutefois un problème : lors de l’installation initiale, si seuls quelques modules sont installés, la capacité du by-pass est limitée. En raison des limites inhérentes aux commutateurs à semi-conducteurs, il peut être difficile, voire impossible, de coordonner de façon fiable les onduleurs avec les dispositifs de protection en aval (généralement des disjoncteurs). En conséquence, en cas de panne, il se peut que le système d’onduleurs ne soit pas en mesure de fournir suffisamment de courant au dispositif de protection aval pour isoler rapidement le circuit défectueux du circuit électrique et, de ce fait, compromette également l’alimentation des autres branches du circuit.
Pour résoudre ce problème, une solution consiste à recourir à un by-pass statique centralisé, au lieu de compter sur les commutateurs de chaque module onduleurs. La valeur nominale de ce by-pass doit être adaptée à la capacité finale prévue pour le système et permettre un courant suffisant pour une bonne coordination des dispositifs de protection. Cette solution, certes efficace, reste coûteuse et occupe de la place. Toutefois, il existe maintenant une solution intéressante, grâce à des systèmes qui combinent des modules by-pass distribués avec des onduleurs modulaires. Cette approche, dans laquelle tous les by-pass statiques sont installés initialement (alors que les onduleurs sont équipés d’un plus petit nombre de modules d’alimentation), permet de s’assurer de disposer d’une capacité de contournement adéquate à chaque étape de l’évolution de l’installation et facilite grandement la coordination de la protection. Elle permet également d’optimiser l’évolutivité.
Quelle que soit la solution adoptée pour mettre en place un by-pass statique, il ne faut pas oublier qu’un seul commutateur statique en court-circuit peut paralyser l’ensemble de l’installation si des mesures appropriées ne sont pas prévues ! Il est par conséquent essentiel de s’assurer que les systèmes by-pass comportent une protection de retour d’alimentation afin que l’onduleur ne tente pas de renvoyer le courant au système d’alimentation par l’intermédiaire d’un commutateur défectueux…
Évolutivité et fiabilité
L’évolutivité d’une installation d’onduleurs est quasi-synonyme de modularité et, a priori, cela porte à croire qu’adopter une architecture modulaire n’a pas de répercussion importante sur la fiabilité. Cependant, lorsque plusieurs onduleurs fonctionnent en parallèle, étant donné qu’ils sont dans des systèmes modulaires, il convient de s’assurer que la charge soit répartie de façon égale entre eux. Et dans certains cas, la fiabilité globale de l’installation peut être considérablement dégradée.
L’agencement généralement utilisé pour la répartition de la charge consiste à utiliser un contrôleur de charge principal et à faire en sorte que chacun des onduleurs connectés en parallèle communique avec lui afin de partager des informations relatives à l’équilibrage de la charge. Toutefois, cet agencement présente deux inconvénients :
– le système de répartition de la charge se complexifie rapidement à mesure qu’il reçoit la connexion des onduleurs. Plus le système devient complexe, plus il est susceptible de connaître des défaillances. Ce problème est important même lorsque l’on exploite un nombre relativement restreint de modules connectés en parallèle ;
̶– le contrôleur principal et le réseau de communication qui y est associé deviennent alors des points de défaillance uniques de l’installation d’onduleurs. Plus le nombre de connexions et de composants associés à ce réseau est important, plus il est probable qu’il finisse, à terme, par présenter des dysfonctionnements en raison de la défaillance d’un composant ou des procédures de maintenance. Et si le contrôleur principal ou son réseau ne fonctionnent plus, il est fort probable que l’ensemble de l’installation devienne hors service et que toutes ses charges ne soient plus alimentées.
Face à ce risque, il est possible que chacun des onduleurs connectés en parallèle dispose de son propre système autonome d’équilibrage de la charge. Dans ce cas, la technologie de répartition ne se réfère qu’à la sortie même de l’onduleur, afin d’opérer le contrôle de manière à ce qu’il gère complètement sa part de la charge, rien de plus. Ce système de répartition de la charge ne nécessite pas de contrôleur principal ni de réseau de communication, évitant ainsi un point de défaillance unique associé aux architectures modulaires classiques.
Par ailleurs, il est en principe possible de faire fonctionner en parallèle un nombre illimité d’onduleurs avec équilibrage interne de la charge sans augmenter la complexité des agencements de répartition de la charge. Cela sans remettre en cause la fiabilité de l’installation. Ce qui est essentiel pour confirmer la mise en place de systèmes offrant les niveaux élevés d’évolutivité que les opérateurs de centres de données exigent désormais systématiquement.
Michel Laurent
