Étude de systèmes multisources avec énergies renouvelables

Étude de systèmes multisources avec énergies renouvelables

Éléments des micro réseaux avec énergies renouvelables

La production décentralisée, lorsqu’elle est raccordée sur les réseaux de distribution, se caractérise par sa petite taille. À l’heure actuelle, la plupart des systèmes de production décentralisée sont raccordés au réseau de distribution [12]. On s’intéresse à travers cette étude aux réseaux de production décentralisée déconnectés du réseau principal. Cependant, étant donné que les topologies de connexion pour l’intégration des énergies renouvelables s’appliquent aux deux types de microréseaux, connectés ou déconnectés, les systèmes interconnectés sont d’abord analysés.
Dans les systèmes multisources ou microréseaux isolés avec sources renouvelables, des génératrices au diesel sont normalement utilisées d’une part pour garantir l’alimentation constante d’énergie et d’autre part pour fixer les valeurs de tension et de fréquence du microréseau. Dans les microréseaux autonomes (isolés), il est aussi possible d’utiliser des convertisseurs statiques (ou interfaces de puissance) pour la connexion de micro générateurs. Dans ce cas, ces dispositifs d’électronique de puissance sont responsables de maintenir le niveau de tension et de fréquence acceptables pendant le fonctionnement en mode autonome.
Les générateurs d’origine renouvelable les plus répandus et mIeux adaptés aux applications des microréseaux sont les générateurs éoliens et les générateurs photovoltaïques. Ces générateurs exigent aussi des interfaces de puissance chargées spécifiquement de convertir la tension produite par ces sources primaires en une tension utile pour être directement connectée au réseau et/ou pour être utilisée par les consommateurs finaux.
D’autres éléments très importants des microréseaux sont les systèmes de stockage et les charges, ces dernières étant la raison d’être des microréseaux.
La conception des convertisseurs statiques est alors un aspect important à considérer pour la mise en œuvre des microréseaux. Ces systèmes de conversion doivent être conçus en fonction de la source primaire à adapter, du système de stockage et du mode d’opération du microréseau. D’une part, les systèmes qui produisent du courant alternatif et qui souvent présentent des fréquences variables, comme certains types d’éoliennes, les microturbines, ou les volants d’inertie ont besoin d’un convertisseur c.a. – c.c. D’autre part, dans les systèmes de production et moyens de stockage à courant continu comme les systèmes photovoltaïques, les piles à combustible, ou les batteries, des convertisseurs C.C.- c.c. sont typiquement utilisés pour ajuster le niveau de tension c.c. Les onduleurs ou convertisseurs c.c. – c.a. sont utilisés pour convertir la tension c.c. au courant alternatif compatible avec le réseau conventionnel.
Le schéma de la figure 2.3 présente une possible configuration des interfaces de puissance en intégrant des énergies renouvelables pour des applications des microréseaux. On illustre comme sources d’énergie renouvelable un générateur éolien, un générateur photovoltaïque et une pile à combustible. On inclut pour chacun les interfaces de puissance requises pour l’interconnexion au réseau conventionnel et pour l’alimentation des possibles charges d’une résidence. Un système de stockage d’énergie sous forme d’hydrogène est aUSSI illustré, ceCI comporte un électrolyseur, pour fermer une boucle de stockage/production avec une liaison à courant continu. Dans cette structure, les charges sont branchées au point commun d’interconnexion (pCC) et alimentées à travers des convertisseurs qui permettent d’adapter la tension selon les normes lorsqu’ils sont en mode îloté ou se synchroniser avec le réseau conventionnel lorsqu’ils sont en mode connecté.

 Utilisation de l’énergie du soleil: technologie photovoltaïque

La technologie photovoltaïque permet la conversion de l’énergie solaire en énergie électrique au moyen des cellules solaires. Une cellule individuelle du panneau solaire peut produire entre 1 et 2 watts de puissance. Plusieurs cellules forment des modules, plusieurs modules ensemble forment des unités ou matrices tel qu’illustré dans la figure 2.4. L’efficacité des cellules solaires est déterminée par leur habileté à convertir la lumière du soleil en énergie électrique. Cette efficacité typiquement varie entre 8% et 15%.
Cependant, des travaux récents permettent de prévoir des rendements au-delà de 30%, par
exemple Siemens d’Allemagne pourrait viser un rendement du 33.9% dans les années à
venir.
Les panneaux photovoltaïques utilisent différentes combinaisons de connexion des modules afin d’atteindre la tension et le courant requis. Les modules varient entre 36 à 72 cellules selon le fabricant et en grandeur entre 0.5 à 1 m2 pour produire autour de 100W/m2. Différentes configurations de connexion sont possibles telles qu’illustrées dans la figure 2.5 et celles-ci dépendent de la puissance désirée. La figure 2.5-a) présente des branches multiples de PV en série, et en même temps ceux connectés en parallèle qui arrivent à un même point d’interconnexion et à un seul onduleur comme interface de puissance. Dans la figure 2.5-b) des groupes de matrices sont connectés en série avec un onduleur par groupe de modules centralisés en utilisant un système de conversion de puissance pour chaque branche de connexion des matrices. Ensuite, si une amplification de tension est nécessaire, une étape de convertisseur c.c. – c.c. est donc utilisée tel que montré dans la figure 2.5-c) et les modules sont interconnectés au réseau électrique à l’aide de l’onduleur. Enfin, dans la configuration présentée à la figure 2.5-d), un onduleur est associé à chaque module PV.
Les topologies actuelles de connexion photovoltaïque sont principalement liées aux étapes de conversion et aux types d’interface de puissance requis pour la connexion ainsi qu’à la position des condensateurs de découplage et à l’utilisation de transformateurs.
Dans la littérature la topologie la plus utilisée est fondamentalement un système tel que présenté dans la figure 2.6 (a). La matrice de PV produit une tension continue et au moyen d’un condensateur de découplage de puissance, on filtre et limite les courants harmoniques provenant de chaque branche de modules pv. Ce condensateur est placé à l’entrée de l’onduleur formé de quatre interrupteurs (lGBT pour Insulated Gate Bipolar Transistor) en pont H afin de rendre la tension c.e. en tension c.a. À la sortie de l’onduleur un filtre LC (ou LCL) est placé afin de limiter les harmoniques de haute fréquence. En contrôlant la commutation des interrupteurs à IGBT en fonction de la tension c.e. mesurée, on génère la tension avec la forme sinusoïdale désirée. Un transformateur d’isolation électrique est utilisé pour la connexion au réseau de distribution.

Table des matières

Résumé
Avant propos
:15éclicace
Liste des tableaux
Liste des figures
Liste des symboles
Chapitre 1 – Introduction
1.1 Objectifs du travail de recherche
1.2 Méthodologie
1.3 Organisation du mémoire
Chapitre 2 – Étude de systèmes multisources avec énergies renouvelables
2.1 Généralités liées à la production décentralisée avec énergies
renouvelables
2.2 Éléments des microréseaux avec énergies renouvelables
2.3 Utilisation de l’énergie du soleil: technologie photovoltaïque
vu
2.4 L’énergie provenant des vents: les générateurs éoliens
2.5 Système de contrôle pour la gestion de systèmes de production
décentralisée
2.5.1 Extraction de puissance maximale des sources renouvelables
2.5.2 Connexion au réseau conventionnel
2.6 Conclusion
Chapitre 3 – Opération de microréseaux autonomes
3.1 Techniques de contrôle pour la mise en parallèle des onduleurs de tension
3.2 Techniques de partage de puissance avec contrôle centralisé
3.2.1 Techniques de partage de puissance avec système de supervision et contrôle centralisé
3.2.2 Techniques de partage de puissance avec circuit ou système de partage dédié
3.3 Techniques de partage de puissance avec contrôle locaL
3.3.1 Contrôleur de déplacement classique
3.3.2 Contrôleur de déplacement avec impédance virtuelle et autres variantes
3.4 Perspectives de recherche et principaux défis concernant l’opération des microréseaux autonomes
3.5 Conclusion
Chapitre 4 – Propositions relatives au contrôle de microréseaux autonomes à courant alternatif
4.1 Synchronisation de systèmes multi-convertisseurs avec ADALINE&FLL
4.1.1 Réseau de neurones ADALINE
4.1.2 Principe du ADALINE&FLL
4.1.3 Génération des signaux de synchronisation
4.2 Mise en parallèle d’onduleurs avec contrôleur «Droops » classique et
ADALINE à fréquence variable
4.3 Contrôle de tension et de puissance
4.4 Nouvelle méthode de partage de puissance dans les microréseaux autonomes
4.4.1 Opération des sources maîtresses (D-Droops)
4.4.2 Opération des sources esclaves en partage permanent de puissance (I-Droops)
4.4.3 Opération des sources esclaves avec reconfiguration automatique du microréseau (SI-Droops)
4.4.4 Opération des sources esclaves en configuration d’exportation de puissance (XI-Droops)
4.5 Conclusion
Chapitre 5 – Validation expérimentale des propositions
5.1 Description du banc d’essais expérimental utilisé pour l’évaluation des propositions
5.2 Validation du réseau ADALINE avec FLL (ADALINE&FLL)
5.3 Validation du contrôleur de tension
5.4 Opération d’onduleurs en parallèle avec contrôleur « Droops »classique et ADALINE à fréquence variable
5.5 Opération d’onduleurs en parallèle avec la nouvelle méthode de partage de puissance basée sur ADALINE&FLL
5.5.1 Opération d’un onduleur en mode maître avec contrôleur D Droops
5.5.2 Partage permanent de puissance avec D-Droops et I-Droops
5.5.3 Partage de puissance avec reconfiguration automatique des unités esclaves (SI-Droop)
5.5.4 Partage de puissance entre sources contrôlées et sources intermittentes avec limitation de puissance (XI-Droops)
5.6 Conclusion
Chapitre 6 – Conclusions générales
Bibliographie
Annexe A- Compléments
Annexe B- Banc d’essais expérimental

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