Structure à connexion simple d’un système PV connecté au réseau

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Structure à connexion simple d’un système PV connecté au réseau

La structure à connexion simple comporte un générateur photovoltaïque (???), un convertisseur ??/?? (onduleur), un filtre passif et un réseau de distribution électrique. Cette structure elle-même existe sous deux configurations possibles : la structure à convertisseur unique (sans transformateur) et la structure avec transformateur.

Structure à convertisseur unique

Cette structure comporte le ???, l’onduleur de tension, le filtre passif de raccordement et le réseau de distribution. La particularité de cette structure se trouve dans le fait que le ??? est obtenu en associant plusieurs modules ?? en série afin d’obtenir une tension ?? suffisante à l’entrée de l’onduleur. Cette tension sera convertie par l’onduleur de sa forme ?? en une forme alternative (??) dont la valeur moyenne sur une période de découpage
Parmi les avantages de la structure à connexion simple et à convertisseur unique, on peut citer la simplicité de la structure (moins de composants) et le rendement élevé mais elle présente l’inconvénient d’une coupure immédiate en cas de problèmes en amont de l’onduleur (un creux de tension par exemple).

Structure à connexion simple avec transformateur

Contrairement à la structure à connexion simple et à convertisseur unique, dans le cas de la structure avec transformateur, le générateur ?? (???) est constitué d’un seul module ?? (ou de plusieurs en parallèle) générant une faible tension ?? à l’onduleur. L’onduleur convertit cette tension ?? en tension alternative de fréquence égale à 50 Hz mais dont l’amplitude est généralement faible car la source est constituée d’un seul module ??. Pour que son amplitude satisfasse aux exigences du réseau, il faut intercaler un transformateur élévateur de tension entre l’onduleur et le réseau. Cette structure semble plutôt adaptée à l’injection de faibles puissances au réseau. La Figure I. 9 présente la structure avec transformateur.
Cette structure présente l’avantage de la sécurité du personnel du fait du faible niveau de la tension ?? cependant, elle présente un rendement plus faible comparée à la structure sans transformateur (90 à 92 % vs 92,5 à 94%).

Structure avec un bus ?? intermédiaire d’un système ?? connecté au réseau

La structure avec bus ?? intermédiaire d’un système ?? connecté au réseau est composée d’un ???, d’un convertisseur ??/??, d’un onduleur de tension, d’un filtre passif de raccordement au réseau et du réseau de distribution électrique. Le bus ?? intermédiaire est un convertisseur ??/?? qui peut être un hacheur Boost ou Buck [1]. Cependant, un Buck/Boost est souvent utilisé pour des raisons de simplicité d’une part et d’autre part lorsqu’un rapport d’élévation de tension inférieur à trois permet d’obtenir un rendement correct [19], [11]. La Figure I. 10 présente cette structure avec un bus ?? intermédiaire dans le cas où le bus ?? est un Boost.
Nous venons de présenter quelques architectures classiques des systèmes ?? connectés au réseau utilisant un onduleur classique. Dans la plupart des cas, dans un système ?? classique connecté au réseau, on trouve un filtre passif de type ???. C’est le cas par exemple des travaux de [21], [22], [23], [24] et [25]. Les auteurs indiquent que le filtre ??? associé à un onduleur classique est le plus adéquat en termes d’efficacité de filtrage des harmoniques hautes fréquences (??) générés par l’onduleur comparé à un filtre simple de type ? ou ??. Il existe également d’autres architectures à filtre de type ? pour des raisons de simplicité de commande [1], [11]. Mais elles nécessitent un composant ? très volumineux pour pouvoir supprimer certains harmoniques ??. Enfin, il existe également d’autres architectures des systèmes ?? connectés au réseau utilisant des onduleurs multi-niveaux. Comme c’est le cas des travaux de [26] où l’auteure associe un onduleur multi-niveaux série (NPC) à un filtre ??.

Etude bibliographique des constituants des systèmes ?? connectés au réseau de distribution électrique

Rappel sur le générateur photovoltaïque (???)

Définition

L’élément fondamental qui convertit les rayons solaires en énergie électrique dans un système photovoltaïque est la cellule solaire photovoltaïque (??). Elle est composée d’une jonction ?? d’un matériau semi-conducteur (généralement du silicium). Un module ?? (ou panneau ??) est formé par assemblage d’un certain nombre des cellules ?? connectées en série/parallèle pour fournir une tension et un courant désirés. L’ensemble des modules montés en série/parallèle forme un champ photovoltaïque [2]. Comme nous l’avons déjà vu dans le paragraphe II, le ??? peut être soit constitué d’un seul module ??, soit de l’association des plusieurs modules ??. Dans le cas d’un système dit « string », le ??? est constitué des strings montés en série ou en parallèle auxquels une diode de protection « by-pass » est connectée.

Modélisation du ???

Dans le cas idéal, une cellule ?? peut être modélisée par un générateur de courant en parallèle avec une diode. Dans cette configuration, le courant injecté par la source est représentatif de l’ensoleillement énergétique (appelé aussi irradiance) et de la surface de la cellule ??. La caractéristique courant-tension I(V) de la diode est non linéaire et rend compte, assez fidèlement du comportement I(V) des cellules.
Un modèle plus fin ajoute deux résistances. L’une en série (?? ) et l’autre en parallèle (??ℎ ). La résistance ?? caractérise les chutes de tension dues aux contacts de connexion entre les différentes cellules tandis que la résistance ??ℎ caractérise le courant de fuite dans la diode [1], [2]. Le modèle électrique équivalent d’une cellule ?? est donné à la Figure I. 11.III.2. Les convertisseurs statiques pour les systèmes ?? connectés au réseau
L’adaptation et la conversion de la puissance continue produite par le ??? en puissance alternative adaptée à celle du réseau sont assurées par les convertisseurs statiques qui sont les convertisseurs ??/?? (hacheurs) et les convertisseurs ??/?? (onduleurs).

Les convertisseurs statiques ??/??

Un convertisseur statique ??/?? est un convertisseur d’énergie qui convertit une tension (ou courant) continue ?? fixe en une tension continue ?? (ou courant) variable [27].
Compte tenu de notre application (système ??), nous nous intéressons essentiellement au convertisseur élévateur de tension (Boost). En effet, dans un système photovoltaïque (??) de petite et moyenne puissance, souvent, la tension délivrée par le générateur photovoltaïque (???) est inférieure à la tension d’entrée nécessaire de l’onduleur. Il faut donc élever la tension fournie par le ???. C’est le rôle du convertisseur Boost.
Dans la littérature, le hacheur Boost lui-même se divise en quatre structures principales [27] comme présentées à la Figure I. 13. En effet, on peut être amené lorsque le courant d’entrée est plus important (cas d’une source ?? formée par plusieurs panneaux en parallèle ou une source de pile à combustible) à segmenter le courant d’entrée en mettant deux ou plusieurs cellules élémentaires en parallèle (Figure I. 13.b). Ceci permet de diminuer les contraintes en courant pour les interrupteurs (transistors et diodes) formant la structure du convertisseur. On peut également diminuer les contraintes en tension en mettant deux ou plusieurs cellules élémentaires en série (Figure I. 13.c).

Boost classique

Le convertisseur Boost de base est représenté à la Figure I. 13.a. L’avantage de ce convertisseur est qu’il est facile à commander comparé aux autres structures vu le nombre de composants mis en jeu [27]. Mais si on monte en puissance, ce montage présente des inconvénients majeurs : contraintes en tension et en courant ainsi que des ondulations du courant d’entrée et de la tension de sortie élevées à la fréquence de découpage. En effet, à l’état « OFF », l’interrupteur doit bloquer la pleine tension de sortie qui est trop élevée et à l’état « ON » il doit également supporter la totalité du courant d’entrée. Ces deux conditions vont influencer le prix des composants électroniques et par conséquent le prix du convertisseur [27].

Boost entrelacé

Le Boost entrelacé est utilisé de nos jours dans plusieurs domaines d’application dits basse tension/fort courant. Par exemple, les applications ??? (Voltage Regulator Module) qui assure l’alimentation des cartes microprocesseurs et leurs périphériques. Les applications de moyenne et forte puissance telles que le système de secours à alimentation sans interruption (???) utilisent aussi ce type de convertisseur. Il en est de même pour les applications dédiées aux énergies embarquées (Véhicule électrique et hybride, avionique, tramway, naval etc.) [28].
La structure de ce type de convertisseur est formée par l’association en parallèle de deux ou plusieurs cellules élémentaires. Cette mise en parallèle permet de partager le courant entre les différentes cellules. Dans le cas où deux cellules sont mises en parallèle, le schéma du Boost entrelacé est donné à la Figure I. 13.b. Dans cette structure, chaque cellule élémentaire est commandée avec le même rapport cyclique ? et les commandes sont décalées d’un temps égal à la période de découpage divisé par le nombre de cellules de commutations (?). Dans ce cas, le courant traversant chaque cellule est divisé par ?. On réduit ainsi, les contraintes en courant subies par les interrupteurs. Un autre avantage de ce montage est la diminution de l’ondulation du courant d’entrée. En effet, la mise en parallèle de ? cellules élémentaires multiplie par ? la fréquence apparente des harmoniques de découpage du courant d’entrée et de sortie (voir Eq.I.9). Ceci permet de réduire le volume du filtrage et ainsi miniaturiser l’ensemble convertisseur-filtre de sortie [28]. Cela permet également d’une part, d’améliorer la dynamique du convertisseur (d’autant plus qu’on peut même choisir des MOSFETS et profiter de leurs performances en rapidité) et de réduire le coût global de la fabrication du convertisseur Boost d’autre part. Cependant, cette structure présente l’inconvénient dû au nombre de composants utilisés pour la fabrication du convertisseur et au problème d’équilibrage des courants traversant les différentes cellules élémentaires. Le Boost entrelacé a été étudié en détail dans les travaux de thèse de [27].

Boost à trois niveaux de tension

Le Boost à trois niveaux est indiqué à la Figure I. 13.c. Ce convertisseur utilise une seule inductance mais deux interrupteurs commandés, deux diodes et deux condensateurs. L’intérêt de ce montage est de diviser par deux les contraintes en tension des interrupteurs. Ces interrupteurs sont, comme dans le Boost entrelacé, commandés par le même rapport cyclique mais leurs commandes sont décalées d’une demi-période [27]. Ce convertisseur est également capable de doubler la fréquence apparente du courant d’entrée, ce qui se traduit par une réduction de l’ondulation du courant d’entrée pour une même valeur d’inductance. Les contraintes en courant sur les transistors et les diodes sont identiques à celles d’un Boost classique alors que les contraintes en tensions sur les composants semi-conducteurs sont réduites de moitié.

Les convertisseurs statiques ??/??

Connus sous les appellations d’onduleurs, les convertisseurs statiques ??/?? sont largement étudiés dans la littérature. Par exemple dans les travaux de [29], [30], [20], [31], [32], [33], [1] et [11]. Un onduleur est un convertisseur statique d’électronique de puissance qui convertit une tension (ou courant) continue ?? en une tension (ou courant) alternative ??.
Il existe principalement deux types d’onduleurs de tension connectés au réseau selon le niveau de puissance à injecter : l’onduleur monophasé et l’onduleur triphasé [1], [11].
 L’onduleur ?? monophasé connecté au réseau
La topologie d’onduleur ?? monophasé est largement utilisée dans les onduleurs ?? commercialisés [11], [33]. La gamme de puissance de l’onduleur photovoltaïque monophasé est généralement entre 2,2 kW et 6 kW [34]. Nous pouvons citer quelques exemples d’onduleurs photovoltaïques monophasés disponibles dans le marché [11] :
 RIELLO type Helios Power HP 4065REL-D,
 SMA type Sunny Boy 2100TL,
 AROS type Sirio 4000,
 SCHNEIDER type SunEzy 2000,4000,400E,
 SPUTNIK type Solarmax 2000C/3000C,
 SPUTNIK type Solarmax 2000S/3000 S,
 HOENIXTEC POWER série Sunville,
 Etc..
L’avantage du système ?? avec onduleurs monophasés se trouve au niveau de la simplicité de sa topologie et du coût d’investissement mais il est limité en termes de puissance transmise et sa commande est assez complexe à cause de difficulté résultant de champs d’information plus réduit [1]. Par exemple pour synchroniser le système triphasé, on peut utiliser une simple ??? utilisant la transformée de Park tandis que pour synchroniser le système monophasé, il faut rajouter un bloc « quadrature » de démodulation [11].
 Topologies d’onduleur ?? triphasé connecté au réseau
Le système ?? triphasé connecté au réseau est capable de produire une puissance plus importante par rapport au système ?? monophasé [1], [11], [33]. Il est indiqué dans la référence [35] que pour une installation ≥5 kW, la solution triphasée est demandée. Néanmoins il existe des onduleurs ?? monophasés pour une installation de 6 kW comme nous l’avons montré ci-haut. On cite quelques exemples de produits commerciaux d’onduleurs ?? triphasés :
 RIELLO type Helios Power 10065
 DANFOSS série TLX
La Figure I. 14 montre un exemple des systèmes ?? connectés au réseau : systèmes ?? avec onduleur monophasé et avec onduleur triphasé.
Que ce soit en monophasé ou en triphasé, on peut classifier les onduleurs de tension en deux catégories : l’onduleur classique (à 2 niveaux) et l’onduleur multicellulaire (multi-niveaux) quand une phase est constituée par l’association de plusieurs cellules de commutation. Les onduleurs multicellulaires sont classifiés en multicellulaires « série » ou « parallèle » [32], selon que les cellules de commutations sont associées en série ou en parallèle. La Figure I. 15 présente un organigramme de classification des onduleurs. Ce schéma non exhaustif, montre les principaux onduleurs qui existent dans la littérature. Il existe également d’autres sous catégories qu’on ne va pas évoquer dans ce manuscrit.

Onduleur classique

L’onduleur classique a été montré précédemment sur les Figure I. 8, I.9, I.10 (topologie triphasée) et sur la Figure I. 14 (topologies monophasée et triphasée). L’avantage de ce convertisseur se trouve au niveau de la simplicité de sa structure. Néanmoins il présente l’inconvénient d’être limité en forte puissance [1]. C’est pour cette raison que cette structure est utilisée dans : les ??? (train à grande vitesse) par Alstom ; l’??? (Intercity-express) par Siemens et dans presque tous les véhicules électriques. De plus, il faut lui associer un filtre de sortie dont les composants passifs doivent être spécifiquement dimensionnés (outre la contrainte de filtrage) pour obtenir un bon rendement du système (faibles pertes dans les composants inductifs). Cette contrainte augmente le volume du filtre et diminue la dynamique du système. Pour augmenter cette dynamique on peut utiliser des petits composants passifs (?,?) mais dans ce cas, on dégrade le rendement du système à cause de l’augmentation des ondulations de courant traversant les inductances du filtre. Il y a donc bien un compromis entre la dynamique et le rendement du système. L’onduleur classique est généralement contrôlé par une commande ??? intersective ou vectorielle. Dans notre cas, nous opterons pour la ??? intersective (pour des raisons de simplicité) qui sera présentée dans les chapitres II et IV.

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 (Etape 8)
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
Chapitre IV. Stratégies des contrôles-commandes des systèmes PV connectés au réseau
I. Introduction
II. Commande ?? découplée appliquée au système ?? classique connecté au réseau de distribution électrique
II.1. Modélisation du système en vue de la commande ?? découplée
III. Commande ?? découplée appliquée au système ?? connecté au réseau de distribution électrique utilisant un onduleur entrelacé
III.1. Commande ?? découplée non équilibrante
III.2. Commande PQ découplée équilibrante
IV. Résultats de simulation et discussion
IV.1. Résultats de simulation du système classique
IV.2. Résultats de simulation du système avec onduleur entrelacé
V. Conclusion
Conclusion générale et Perspectives
Valorisation des travaux
Bibliographie
Annexes

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