Analyse et commandes des convertisseurs multi-niveaux pour un générateur photovoltaïque connecté au réseau électrique

Ces dernières années, la consommation mondiale en énergie électrique a augmenté considérablement. Ceci est dû à l’évolution démographique, au développement des nouvelles technologies et à la croissance des Pays émergents [1], [2], [3], [4]. Les systèmes actuels de production d’énergie électrique sont pour la plupart issus de sources fossiles (le pétrole, gaz et leurs dérivés) ou du nucléaire [2], notamment en France qui possède 58 réacteurs pour 67 millions d’habitants seulement [5]. Or ces sources ne sont pas inépuisables. On parle du tarissement du pétrole à l’horizon 2030 [3]. Ces sources ne pourront donc pas répondre, à elles seules, à nos besoins énergétiques sur le long terme [2]. De plus, la transformation des sources fossiles en énergie électrique s’accompagne d’un dégagement de gaz carbonique ??2 qui a un impact non négligeable sur l’effet de serre et le réchauffement climatique. Le nucléaire, quant à lui, est une source dont les déchets radioactifs sont difficiles à traiter. Certains déchets ont des demi-vies extrêmement longues [6]. Les techniques d’enfouissement actuellement développées à Bures (Haute-Marne 52, France) permettront de stocker ces déchets en toute sécurité [7]. Cependant, nous léguerons, aux générations futures, le soin de les retraiter. Il est donc urgent de se tourner vers une énergie plus sûre qui nous permet de continuer à vivre normalement sans dégrader notre environnement et sans risques pour les populations.

Dans ce cadre, des nombreuses nations se sont engagées, à travers des conférences internationales sur le climat sous la bannière de l’Organisation des Nations Unies (???), à réduire les émissions de gaz à effet de serre. Parmi ces conférences on peut citer la ???21 tenue à Paris du 30 novembre au 12 décembre 2015. Lors de cette rencontre, pour la première fois de l’histoire, les représentants des cent quatre-vingts quinze Etats, issus de tous les continents, se sont accordés à réduire leurs émissions de gaz à effet de serre afin de stabiliser le réchauffement climatique en dessous de 2 °? d’ici 2100 par rapport à la température de l’ère préindustrielle (période de référence 1861 − 1880) [8]. Cette réduction du gaz à effet de serre passe par la production de l’énergie électrique à base des énergies renouvelables non émettrices ou à faible émission de gaz carboné et une meilleure efficacité énergétique.

L’une des formes d’énergies renouvelables la plus attractive est l’énergie solaire photovoltaïque (??). En effet, l’énergie solaire ?? est une énergie propre, renouvelable (non tarissable) dont la source, le soleil, est gratuite.

Etat de l’art du système PV raccordé au réseau

Selon une étude réalisée par le conseil européen des énergies renouvelables et rapportée par les travaux de [11], l’énergie solaire ?? sera sans doute une composante importante du mix énergétique renouvelable du futur.

En ce qui concerne le continent africain, faute de données pour l’ensemble des pays, nous citons quelques pays d’Afrique francophone qui ont récemment réalisé des projets ??. On peut citer entre autres :
– le Maroc avec le lancement de la construction de la centrale ?? dénommée Noor IV à 20 km de Ouarzazate. Cette dernière se développera sur une surface de 137 hectares et aura une capacité de production de 72 MWc pour un coût estimé à 70 millions d’euros [13]. Financée principalement par la banque allemande ??? Bankengruppe à hauteur de 61 millions d’euros, cette centrale entrera en service au premier trimestre de 2018 selon ses promoteurs. Le Maroc avait également inauguré en février 2016, le projet Noor I et lancé la construction des volets II et III de ce complexe solaire dont les travaux sont avancés à respectivement 76 % et 74 % selon l’agence officielle ??? (Maghreb Arabe Presse). Une fois finalisé, le complexe Noor aura une capacité de production de 582 MWc [13]. Ce qui ferait du Maroc le premier producteur d’énergies renouvelables en Afrique francophone.
– La Tunisie avec la signature d’un accord de projet d’étude de faisabilité des centrales solaires ?? de 50 MWc (avec une possibilité d’extension jusqu’à 300 MWc). L’accord de ce projet a été signé en 2016 par l’agence coréenne de coopération internationale (?????), la société tunisienne de l’électricité et du gaz (????) et le ministère du développement, de l’investissement et de la coopération internationale [14].
– Le Sénégal, quant à lui, poursuit ses efforts avec la construction en 2016 de la centrale solaire de Bokhol (à 400 km au nord de Dakar) d’une capacité de 20 MWc. Cette centrale est constituée de 77 000 panneaux ?? installés sur 50 hectares et alimente 9 000 foyers. Son coût est estimé à environ 17 milliards de FCFA (soit 25,9 millions d’euros) [15]. Ce qui équivaut à près de 22 % du ??? de ce Pays.
– Enfin, nous pouvons citer le Tchad avec la signature du contrat d’un grand projet de deux centrales ??, de 60 MWc chacune. Cet accord a été signé par les sociétés SUNNVEST, CITELUM et l’Etat tchadien . Ces centrales de 120 MWc seront implantées au nord de la ville de N’djamena, la capitale du Tchad. Elles permettront de doubler la puissance actuellement disponible dans cette ville [16].

De plus, une association de panneaux photovoltaïques et de batteries est utilisée pour l’éclairage public de la ville d’Abéché, à l’est du Tchad, comme en témoigne la Figure I. 4. Ce projet a été réalisé en 2010 par la société chinoise ?????. Il est décrit comme une première expérience au Tchad en matière d’énergie solaire photovoltaïque. Ce projet permet l’alimentation d’environ 800 points d’allumages installés sur les 20 km de routes bitumées de la ville. Ils sont composés de poteaux à deux crosses pour les routes à doubles voies et de poteaux à simple crosse pour celles à une seule voie .

Architectures du système PV connecté au réseau électrique

Les systèmes ?? connectés au réseau ont été très étudiés dans la littérature. En particulier dans les travaux de [1], [11], [18], [19] et [20]. L’onduleur est un élément central dans une architecture de système ?? connecté au réseau de distribution électrique. En effet, il convertit le courant électrique continu produit par le générateur photovoltaïque en courant électrique alternatif qui est injecté au réseau. De nos jours, il existe principalement trois types d’associations de modules ?? et onduleurs :
❖ Le système centralisé où un seul onduleur est dimensionné en fonction de la puissance totale. Cette option est plutôt adaptée aux petites installations.
❖ Le système modulaire appelé également onduleurs string où plusieurs onduleurs sont reliés à une série des modules ??. Cette solution est demandée lorsque plusieurs champs de modules ?? sont orientés différemment. Elle est destinée aux installations de forte puissance (de l’ordre de ??).
❖ Enfin le système avec onduleurs intégrés aux modules ?? . Cette technique est également destinée aux installations de forte puissance (de l’ordre de ??).

Dans une architecture ?? connectée au réseau, un isolement galvanique de l’onduleur est parfois nécessaire. Cet isolement galvanique dépend des normes en vigueur dans chaque pays. Dans certains pays comme les ???, l’isolement galvanique de l’onduleur connecté au réseau est toujours exigé. Il est généralement réalisé par un transformateur intercalé entre l’onduleur et le réseau. Ce dernier est donc dimensionné pour transmettre une puissance à basse fréquence (60 Hz aux ???). Il est donc volumineux et sources de pertes.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I. Etat de l’art du système PV raccordé au réseau
I. Introduction
II. Architectures du système PV connecté au réseau électrique
II.1. Structure à connexion simple d’un système PV connecté au réseau
II.2. Structure avec un bus ?? intermédiaire d’un système ?? connecté au réseau
III. Etude bibliographique des constituants des systèmes PV connectés au réseau de distribution électrique
III.1. Rappel sur le générateur photovoltaïque (???)
III.2. Les convertisseurs statiques pour les systèmes ?? connectés au réseau
IV. Conclusion
Chapitre II: Modélisation et dimensionnement optimisé du système ?? classique connecté au réseau électrique
I. Introduction
II. Description du système PV connecté au réseau électrique
II.1. La source d’énergie : le générateur PV (???)
II.2. Réseau de distribution électrique Tchadien (???)
II.3. Etude de l’onduleur de tension (approche temporelle)
II.3.1. Tensions entre le neutre fictif et les points communs des bras d’onduleurs
II.3.2. Tensions de mode commun et tensions simples sur un réseau équilibré
II.3.3. Commande de l’onduleur
III. Calcul des éléments passifs du filtre LCL
III.1 Contrainte de la variation du facteur de puissance et calcul du condensateur ?
III.2 Contrainte de la chute de tension et calcul des inductances ?1 et ?2
III.3 Choix de la résistance d’amortissement ??
IV. Dimensionnement physique des éléments de filtrages ?1 et ?2
IV.1. Description de la méthode de dimensionnement physique des inductances (?1 et ?2)
IV.2. Estimations des pertes dans les inductances (étape 6)
IV.2.1. Pertes joule
IV.2.2. Pertes fer
IV.2.3. Déduction des pertes totales
IV.4. Evaluation de la température du circuit
IV.5. Subdivision des inductances
IV.5.1. Fractionnement d’une inductance par deux
IV.5.2. Fractionnement d’une inductance par trois
V. Conclusion
Chapitre III. Modélisation et dimensionnement du système PV connecté au réseau utilisant un onduleur multi-niveaux
I. Introduction
II. Description du système PV connecté au réseau de distribution électrique utilisant un onduleur entrelacé
III. Modélisation des constituants de la chaine de conversion du système ?? connecté au réseau de distribution électrique
III.1 Commande de l’onduleur entrelacé
III.2 Etude de l’onduleur entrelacé
III.2.1 Mise en équation des tensions : approche temporelle
III.2.2 Approche fréquentielle
III.2.2.1 Calcul des tensions
III.2.2.2 Calcul des courants
III.2.2.3 Ondulations de courants
III.2.3 Etude comparative des pertes dans un onduleur classique et multi-niveaux
III.2.3.1 Modèles de pertes des semi-conducteurs des onduleurs
III.2.3.2 Pertes dans l’onduleur classique
III.2.3.3 Pertes dans l’onduleur entrelacé
IV. Eléments passifs du filtre LCL
IV.1 Dimensionnement physique de l’inductance ?1
IV.2 Choix technologique du condensateur ? du filtre et calcul des pertes dans ? et ??
V. Bilan des pertes et calcul de rendement
VI. Evaluation du coût et comparaison des volumes des filtrages
VI.1. Evaluation du coût du filtre passif
VI.2. Comparaison des volumes des filtrages
VII. Etude technico-économique
VIII. Conclusion
Conclusion générale

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