Protection contre les surtensions pour les systèmes de stockage d’énergie par batteries (BESS) : bus continu, onduleur de conversion de puissance (PCS) et interfaces de communication

1. Pourquoi les sites BESS nécessitent une protection en plusieurs niveaux

Un système de stockage d’énergie par batteries (BESS) associe des circuits CC à fort courant, une conversion CA connectée au réseau et un réseau de contrôle, le tout dans un encombrement compact — souvent sous la forme d’un conteneur ou d’un ensemble d’armoires extérieures. Cette combinaison le rend sensible aux transitoires selon plusieurs voies simultanément : surtensions induites par la foudre sur les câbles extérieurs, surtensions de commutation issues de la connexion au réseau, ainsi que des transitoires se propageant le long des lignes de communication. Planification Protection contre les surtensions BESS Par conséquent, cela commence par le câblage, et non par un produit isolé.

Chaque partie du système intègre un type de circuit et une tension distincts ; par conséquent, elle est généralement associée à son propre dispositif de protection. Les quatre circuits décrits ci‑dessous constituent une liste de contrôle utile lors de l’inspection d’un site, qu’il s’agisse d’une petite armoire commerciale ou d’une installation conteneurisée de plusieurs mégawatts.

2. Quatre voies d’entrée de surtension

En pratique, les surtensions parviennent à un système de stockage d’énergie par batteries (BESS) par quatre voies principales : le groupe de batteries et son bus continu, le côté alternatif du système de conversion de puissance (PCS), le réseau de communication du BMS/EMS, ainsi que l’alimentation auxiliaire. Le schéma ci‑dessous illustre la manière dont ces éléments s’interconnectent.

Un seul dispositif de protection ne couvre pas les quatre. Un… SPD de Washington D.C. pour BESS protège le bus de batterie mais ne mentionne rien concernant les bornes d’alimentation en courant alternatif, les liaisons RS‑485/CAN ni l’alimentation auxiliaire ; chacun de ces éléments est spécifié séparément.

3. Le groupe de batteries et le bus continu

Le côté batterie est un circuit continu non photovoltaïque. Sa tension suit l’état de charge — elle augmente en phase de charge et diminue en phase de décharge — et la source peut fournir un courant de défaut important. Le dispositif de protection est donc choisi en fonction de la tension continue continue maximale que le bus atteint effectivement (y compris la limite de charge), et non de la valeur nominale inscrite sur les modules.

Deux autres points distinguent le bus de batterie des autres applications en courant continu. Tout d’abord, la puissance peut circuler dans les deux sens à travers le PCS ; par conséquent, le dispositif de protection doit pouvoir supporter les conditions de fonctionnement tant en charge qu’en décharge. Ensuite, le raccordement s’effectue entre les conducteurs du bus et la terre selon un mode compatible avec la configuration de mise à la terre du site — un point qui doit être vérifié sur le schéma unifilaire et non pas supposé.

Pour ce circuit, la référence applicable est la norme IEC 61643‑41, qui couvre les dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux systèmes d’alimentation en courant continu basse tension jusqu’à 1500 V CC. Il s’agit de la référence pour le courant continu dans les applications non photovoltaïques, et c’est la norme selon laquelle un protecteur de bus-batterie est généralement évalué.

La conséquence pratique est que deux sites ayant la même tension nominale de batterie peuvent néanmoins nécessiter des dispositifs de protection différents si leurs modes de mise à la terre ou les niveaux de courant de défaut diffèrent. Pour cette raison, un protecteur contre les surtensions destiné aux systèmes de stockage d’énergie par batteries ne se choisit pas uniquement en fonction de l’étiquette de tension nominale ; le seuil de charge, la polarité de mise à la terre et le courant de court-circuit attendu sont chacun vérifiés dans la documentation du projet avant de proposer un modèle.

4. Le côté AC du PCS

Le PCS relie le bus continu au réseau ou à une charge locale, et son côté alternatif est soumis aux mêmes transitoires de commutation et atmosphériques que tout convertisseur de puissance raccordé au réseau. Un SPD d’alimentation CA est choisi ici en fonction de la tension d’alimentation alternative et de la configuration de la mise à la terre du système, et est généralement installé à l’entrée du réseau alternatif ou aux bornes du convertisseur. Le côté alternatif constitue un circuit distinct du bus continu et fait l’objet d’une spécification séparée, conformément à… CEI 61643-11 .

Étant donné qu’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) peut à la fois injecter et prélever de l’énergie, le dispositif de protection côté courant alternatif est choisi pour un fonctionnement bidirectionnel normal ; il s’agit d’une application courante en courant alternatif qui ne modifie pas le choix fondamental, mais le point d’alimentation ainsi que la configuration éventuelle du transformateur doivent être pris en compte dans le choix du type de protection et de la valeur nominale de décharge.

5. Communication BMS / EMS

Le système de gestion de la batterie (BMS) et le système de gestion de l’énergie (EMS) s’appuient sur des liaisons de données basse tension — généralement RS‑485, CAN ou Ethernet — qui assurent la connectivité entre les racks, les armoires et la salle de contrôle. Ces lignes sont sensibles, et une surtension transitoire couplée à un câble de communication peut endommager les équipements électroniques de commande, même lorsque les circuits d’alimentation restent intacts.

Un SPD de signal/données est sélectionné en fonction de l’interface et de la tension de ligne, et il est généralement installé à chaque point où un câble de communication extérieur pénètre dans un coffret. Les dispositifs de protection destinés aux réseaux de télécommunications et de signalisation sont traités par CEI 61643-21 , y compris les lignes transportant de l’énergie, telles que l’alimentation par Ethernet. Comme pour le débit de données, la tension de ligne prise en charge d’un modèle donné doit être consultée dans sa fiche technique, et non déduite du type de connecteur.

Les liaisons de communication en milieu extérieur impliquent également une prise en compte du blindage : le blindage du câble doit être mis à la masse au point d’entrée dans le boîtier, et le dispositif de protection doit être installé à proximité de ce point d’entrée. Lorsqu’une liaison de données utilise un connecteur dépourvu de blindage, la borne de terre du dispositif de protection constitue le chemin principal pour dériver les surtensions transitoires ; par conséquent, la longueur et le routage des conducteurs de mise à la terre revêtent une importance particulière.

6. Énergie auxiliaire

L’alimentation auxiliaire — ces petites alimentations en courant alternatif ou continu qui alimentent le système de gestion du bâtiment, les capteurs, les ventilateurs et les circuits de sécurité — est facile à négliger, mais elle fait partie du même coffret. Une alimentation auxiliaire provenant de l’extérieur, ou partageant un point de distribution avec l’électronique de commande, doit être protégée comme n’importe quelle autre ligne d’alimentation entrante. L’appareil est adapté à la tension auxiliaire et à sa source, qui diffèrent souvent du bus continu principal.

7. SPD CC pour les systèmes de stockage d’énergie par batterie (BESS) vs SPD PV : non interchangeables

Une question récurrente est de savoir si un parafoudre pour installation photovoltaïque peut être réutilisé sur un bus batterie, puisque les deux fonctionnent en courant continu. Ces deux circuits sont en réalité très différents. Une chaîne photovoltaïque est un générateur à limitation de courant, dont le flux d’énergie est unidirectionnel et qui présente un comportement aux défauts propre au photovoltaïque ; quant au bus batterie, il s’agit d’une source bidirectionnelle à faible impédance, aux caractéristiques de défaut distinctes. Les normes reflètent explicitement cette distinction.

• La norme IEC 61643‑31 couvre les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) destinés au côté continu des générateurs photovoltaïques et des onduleurs ; la norme précise elle-même que les SPD pour les systèmes photovoltaïques équipés d’un système de stockage d’énergie (par exemple des batteries) sont… non couvert .
• La norme IEC 61643‑41 s’applique aux dispositifs de protection contre les surtensions destinés aux systèmes d’alimentation en courant continu basse tension, de manière générale, et constitue la référence pour un bus CC non photovoltaïque, tel qu’une chaîne de batteries.

En d'autres termes, un/une protecteur contre les surtensions pour le stockage d’énergie par batterie sur le bus CC est choisi conformément à la norme IEC 61643‑41, tandis qu’un dispositif côté PV est choisi conformément à CEI 61643-31 . Il n’est pas recommandé de les considérer comme interchangeables et cela ne doit pas être fait sans une analyse technique prenant en compte la tension du circuit, le courant de défaut et la mise à la terre.

Le chevauchement pratique se limite au fait que les deux sont en courant continu. A PV SPD Il est optimisé pour une chaîne à courant limité présentant un comportement de défaut côté générateur, tandis qu’un parafoudre sur le bus batterie est censé fonctionner sur une source à faible impédance et bidirectionnelle. Installer l’un dans le circuit de l’autre pourrait entraîner l’application de tensions et de valeurs de défaut inappropriées; c’est pourquoi ces deux dispositifs sont maintenus séparés dans les documents de spécification.

8. Tableau des risques AC / DC / Signal

Les positions ci-dessus sont indicatives ; le produit applicable pour un site donné est confirmé par un ingénieur sur la base de la fiche technique et du schéma unifilaire.

9. Mise à la terre et liaison équipotentielle

Tous les dispositifs de protection d’un système BESS reposent sur une référence à la terre de faible impédance. La prise de terre du bus batterie, celle du PCS, la prise de terre du courant alternatif, ainsi que les blindages des câbles de communication et la structure de l’enceinte sont généralement raccordés à un point commun, conformément à la conception de la mise à la terre du site. Des conducteurs de terre longs ou de faible section peuvent dégrader les performances des dispositifs de protection ; par conséquent, le routage et la section des conducteurs font partie intégrante du processus de sélection, et non un élément secondaire. Lorsque le site utilise un schéma de mise à la terre isolée ou à haute résistance, il convient de vérifier que le mode de connexion des dispositifs de protection en courant continu et des dispositifs de protection des signaux est compatible avec ce schéma. Dans les systèmes conteneurisés, l’existence d’une liaison entre la paroi du conteneur, les barres omnibus internes et l’électrode de terre externe doit également être confirmée lors de l’installation, car une mauvaise liaison de la paroi peut priver les dispositifs de protection internes d’une référence fiable.

10. Comment spécifier un site BESS

Une demande de renseignements peut généralement être associée à des modèles appropriés lorsqu’elle indique :

• La tension continue réellement présente sur le bus de batterie, y compris la limite de charge, ainsi que la polarité de mise à la terre.
• La topologie du PCS — plage de tension continue, tension alternative et présence d’un transformateur.
• Les interfaces de communication utilisées (RS‑485, CAN, Ethernet, ainsi que les liaisons extérieures éventuelles).
• La tension et la source d’alimentation auxiliaires.
• La configuration du site et l’arrangement de mise à la terre existant.

11. Foire aux questions

Un parafoudre de protection contre les surtensions (SPD) pour installation photovoltaïque peut-il être réutilisé sur le bus d’une batterie de système de stockage d’énergie (BESS) ?

En règle générale, non. Les dispositifs de protection contre les surtensions (SPD) pour installations photovoltaïques sont spécifiquement destinés au côté continu des générateurs et des onduleurs photovoltaïques, conformément à la norme IEC 61643‑31, qui exclut expressément les systèmes de stockage. Le choix d’un bus-batterie doit se faire en tenant compte de la norme IEC 61643‑41, et son réemploi sans une analyse technique portant sur la tension, le courant de défaut et la mise à la terre n’est pas recommandé.

Quelle norme s’applique à un parafoudre CC destiné aux systèmes de stockage d’énergie par batterie ?

Le côté continu d’un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) est un circuit continu non photovoltaïque ; par conséquent, le dispositif de protection est généralement évalué conformément à la norme IEC 61643‑41 — dispositifs de protection contre les surtensions raccordés aux systèmes d’alimentation en courant continu basse tension jusqu’à 1500 V CC.

Un seul protecteur DC suffit-il pour l’ensemble du système ?

Normalement, non. Le côté courant alternatif du PCS, les liaisons de données BMS/EMS et l’alimentation auxiliaire constituent des circuits distincts, chacun étant protégé par son propre dispositif de protection. Un parafoudre DC installé sur le bus batterie ne remplace ni la protection du côté courant alternatif ni la protection des signaux.

Pourquoi le plafond de charges est-il important pour la sélection ?

La tension d’un bus de batterie augmente pendant la charge ; ainsi, un dispositif de protection sélectionné uniquement en fonction de la tension nominale risque d’être sous‑dimensionné par rapport à la tension maximale admissible en charge. La tension maximale continue de service du dispositif doit être supérieure à la tension continue maximale continue du bus.

Où doivent être installés les parafoudres de signal dans un système de stockage d’énergie par batterie (BESS) ?

Les protecteurs de signal et de données sont généralement installés à chaque point d’entrée d’un câble de communication extérieur dans un coffret, ainsi qu’aux ports d’équipement lorsque la fiche technique l’exige. Le modèle est déterminé par l’interface et la tension de ligne.

Quelles informations sont nécessaires pour valider un modèle ?

La tension du bus continu, incluant le plafond de charge et la polarité de mise à la terre, la topologie du système de conversion de puissance (PCS), les interfaces de communication ainsi que l’agencement du site. Grâce à ces éléments, un ingénieur peut vérifier l’adéquation du produit par rapport aux spécifications du catalogue et au schéma unifilaire.