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MODELISATION DES COMPOSANTS D’UN SYSTEME PV
Les travaux de cette thèse vont, entre autres, consister à optimiser l’architecture électrique des grandes centrales photovoltaïques linéaires, selon des critères liés aux performances énergétiques, à la fiabilité de fonctionnement et aux coûts d’installation et de maintenance. Pour évaluer d’un point de vue technico économique ces trois éléments, il est nécessaire de disposer d’un outil de modélisation qui est à la fois précis, fiable, robuste, qui s’adapte à chacun des besoins de la simulation et qui a un temps de calcul raisonnable. Or, des outils de modélisation commerciaux comme PVsyst, PVSOL ne sont pas assez détaillés, flexibles et robustes, ne nous permettent pas à réaliser des études sur l’aspect dynamique du fonctionnement des systèmes PV et ne sont pas optimisé pour étudier des nouvelles architectures électriques comme le PV linéaire.
Généralités sur l’architecture électrique
L’onduleur transforme le courant électrique continu produit par le champ PV en un courant électrique alternatif injecté dans le réseau (de distribution, de transport, ou mini-réseau autonome). Outre la fiabilité et le coût, le point-clef dans la conception de l’onduleur est le rendement de conversion DC/AC, du point de vue de l’utilisateur. Le rendement des onduleurs actuels est très élevé : par exemple, Power Electronics fabrique les onduleurs ayant un rendement jusqu’à 97.8% pour quelques MW [7] . Comme tout système électronique, l’onduleur a une durée de vie limitée, comprise entre 10 et 15 ans. Actuellement, il existe principalement trois topologies, ou architectures électriques, de systèmes PV (associations de module PV et onduleur) :
➢ Système avec onduleur centralisé : un seul ou quelques gros onduleurs dimensionnés en fonction de la puissance totale de la centrale PV ; chaque onduleur est alimenté par un champ PV composé de sous-champs, eux-mêmes constitués de chaînes parallèles de modules,
➢ Système avec onduleurs strings (ou de chaînes) : la centrale comprend alors un nombre important d’onduleurs ; chaque onduleur est alimenté par une ou plusieurs chaines parallèles de modules PV. Cette option est requise notamment lorsque plusieurs champs de modules sont orientés différemment,
➢ Système avec onduleurs intégrés aux modules PV (ou micro-onduleurs) ; on a alors un onduleur pour 1 à 4 modules, en général.
Ces topologies peuvent se différencier selon leurs performances, les pertes depuissance et le coût . La première catégorie, performance (ou caractéristiques générales), considère la robustesse, la flexibilité et l’efficacité du MPPT [8] [9]. La deuxième catégorie, les pertes de puissance, considère le mismatch, les pertes énergétiques des côtés AC et DC du système. Les pertes de mismatch sont inévitables dans tous les systèmes PV. Cela dépend du type de module au sein d’une chaîne PV, de la différences entre des chaines PV en parallèles, de l’ombrage, des salissures, de l’efficacité MPPT, entre autres [10] [11]. La troisième catégorie, le coût, concerne l’installation, la maintenance, le coût du terrain et la longueur des câbles DC et AC [12] [13]. Le coût du terrain n’est pas inclus ici car il dépend de la localisation du système PV.
L’isolement galvanique de l’onduleur connecté au réseau dépend des normes en vigueur dans chaque pays. Par exemple aux USA, l’isolement galvanique est toujours exigé. Pour l’isolement galvanique, on utilise un transformateur BF ou HF. Cette dernière solution est plus compacte, mais il faut faire attention à la conception des transformateurs afin de minimiser les pertes (les pertes du système PV dépendront aussi du transformateur). C’est pourquoi l’onduleur sans transformateur a toujours le rendement le plus élevé (et un coût moindre).
Les systèmes PV produisant un courant continu, la connexion au réseau électrique rend nécessaire un étage DC/AC. Parfois un seul convertisseur assure les deux réglages usuels : l’extraction du maximum de puissance et l’injection au réseau de courants sinusoïdaux. la plupart de structures industrialisées comportent deux étages de conversion successifs : unDC/DC et un DC/AC. Il existe plusieurs types d’étage d’adaptation ; [15] dresse une liste de schémas correspondants aux applications PV. Le type du hacheur parallèle (Boost) est souvent choisi d’une part [16] pour sa simplicité et d’autre part car il offre un rapport d’élévation (ratio entre la tension sortie et la tension entrée du hacheur) inférieur à environ 3, ce qui permet d’obtenir un rendement correct.
Modélisation détaillée d’un module photovoltaïque en Matlab/Simulink
L’élément de base qui joue un rôle déterminant dans la précision de la modélisation d’un système photovoltaïque est le modèle des cellules et des modules photovoltaïques dont il est constitué. La question de la modélisation des modules PV dans des conditions non constantes (variation de l’irradiance, de la température…) et non-uniformes, telles que les conditions d’ombrage partiel, a été largement étudiée par la communauté scientifique et a obtenu des résultats significatifs. Il existe principalement deux modèles électriques d’un module photovoltaïque : le modèle à une diode et le modèle à deux diodes. Un modèle de module PV à une diode avec des résistances en série et en parallèle a été proposé par [17] pour une précision acceptable. Ensuite, un modèle de module PV à deux diodes, nécessitant un temps d’exécution acceptable, a été étudié par [2] pour accroitre la précision. Dans [18], l’auteur a essayé à résoudre le problème du temps de calcul trop élevé de nombreux modèles à deux diodes existants [19] [20] en réduisant le nombre de paramètres du modèle et en utilisant une méthode decalcul plus efficace .
Cette section présente d’abord les deux méthodes de modélisation détaillée d’un module photovoltaïque. Ensuite, une méthode pour améliorer encore le temps de calcul du modèle à deux diode présentée dans [18] est proposée. Enfin, une comparaison de la précision et du temps de calcul entre ces modèles ainsi qu’une analyse de leurs faiblesses sont effectuées afin de trouver le modèle le plus approprié au besoin de modélisation et de simulation de cette thèse.
Modélisation d’un module photovoltaïque avec le modèle à deux diodes
Le modèle à une diode est basé sur l’hypothèse que la perte par recombinaison dans la zone de déplétion est absente. Dans une vraie cellule solaire, la recombinaison représente une perte substantielle, notamment à basse tension. Cela ne peut pas être modélisé de manière adéquateen utilisant une seule diode.La prise en compte de cette perte conduit à un modèle plus complet appelé modèle à deux diodes [21]. L’introduction d’une diodesupplémentaire augmente le nombre des paramètres. Le principal défi consiste maintenant à estimer les valeurs de tous les paramètres du modèle tout en gardant un temps de simulation raisonnable.
Approche simplifiée – méthode de base de données
La modélisation considérée dans le cadre d’une étude d’optimisation du dimensionnement doit permettre d’évaluer un grand nombre de configurations dans un temps de calcul raisonnable. Nous allons donc modéliser ici les panneaux PV avec une approche simplifiée, qui a pour avantages être beaucoup plus rapide, sans perdre de la précision. En utilisant le modèle physique à deux diodes sous Matlab/Simulink présenté précédemment, nous simulons tous les points de fonctionnements d’un panneau PV dans une plage de température de -20°C à 80°C (avec un pas de 1°C) et un plage d’irradiance de 0 à 1500 W/m² (avec un pas de 100W/m²). Ensuite, nous enregistrons toutes ces données sous forme une base données précalculée. En utilisant par la suite une algorithme d’interpolation, nous arrivons facilement à extraire toutes les informations de ce panneau PV (tension, courant, puissante) sur un point de fonctionnement quelconques. Nous appelons ce modèle le modèle des bases de données (BDD). L’approche physique repose sur une modélisation électrique d’un module photovoltaïque comprenant divers éléments physiques tels que source de courant, diode(s), résistances, et avec une prise en compte de tous les facteurs qui peuvent affecter la production de ce module (niveau d’éclairement, température),tandis que l’approche simplifiée utilise une base de données de résultats précalculés du fonctionnement d’un module photovoltaïque afin de pouvoir calculer le plus rapidement possible la production de ce module photovoltaïque à un point de fonctionnement donné.
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Table des matières
I. Introduction
I.1. Contexte énergétique
I.1.1. Contexte énergétique dans le monde
I.1.2. Contexte énergétique en Europe
I.1.3. Contexte énergétique en France
I.1.4. Vision énergétique en France 2030-2050
I.2. Nécessité de recherche de nouveau système PV innovant
I.3. Organisation de la thèse
II. Modélisation des composants d’un système PV
II.1. Introduction
II.2. Généralités sur l’architecture électrique
II.3. Modélisation détaillée d’un module photovoltaïque en Matlab/Simulink
II.3.1. Modélisation d’un module photovoltaïque avec le modèle à une diode
II.3.2. Modélisation d’un module photovoltaïque avec le modèle à deux diodes
II.3.3. Comparaison des modèles de module photovoltaïque à une et à deux diodes
II.3.4. Approche simplifiée – méthode de base de données
II.4. Système PV monophasé
II.4.1. Phase Locked Loop (PLL)
II.4.2. MPPT
II.4.3. Commande de la partie DC/DC
II.4.4. Commande de la partie DC/AC
II.4.5. Simulation
II.5. Système PV triphasé
II.5.1. Structure et commande
II.5.2. Simulation
II.6. Conclusion
III. Modélisation d’un système pv complet et comparaison de différentes structures électriques d’un système pv linéaire
III.1. Introduction
III.2. Modèle complet d’un système photovoltaïque
III.2.1. Modélisation sous Matlab/Simulink d’une centrale PV réelle
III.3. Différentes architectures électriques pour un système PV linéaire
III.3.1. Architecture complètement centralisée à un onduleur et architecture moins centralisée à deux onduleurs d’un système PV linéaire
III.3.2. Architecture avec ligne DC unique dans les systèmes PV linéaires
III.4. Conclusion
IV. Optimisation technico-économique du dimensionnement des grands systèmes pv linéaires
IV.1. Introduction
IV.2. Description du problème d’optimisation du dimensionnement
IV.2.1. Description du problème
IV.2.2. Fonction d’objectif de l’optimisation
IV.2.3. Méthode et outil considérés pour la résolution du problème
IV.3. Résultats d’optimisation technico-économique
IV.4. Conclusion
V. Services contribués au réseau par les systèmes pv lineaires
V.1. Introduction
V.2. Modélisation d’un VSC-MMC
V.2.1. Contrôle de niveau supérieur: Contrôle VSC
V.2.2. Contrôle de niveau inférieur: contrôle MMC
V.3. Calcul de Loadflow d’un système AC/DC
V.4. Contribution du système PV linéaire à la stabilité
V.4.1. Réseau sans système PV linéaire
V.4.2. Réseau avec système PV linéaire
V.5. Contribution du système PV linéaire à la gestion de congestions
V.6. Conclusion
VI. Conclusion
