Chapitre 3. Connexion de sources distribuées par des convertisseurs d’électronique de puissance
3.5. Connexion d’un groupe des panneaux au réseau
Sur le modèle du convertisseur montré à la Figure 3.8, le bus continu a été pris comme un bus idéal (source de tension us), mais en réalité ce bus à une nature fluctuante qui dépend de l’échange d’énergie entre la source d’énergie renouvelable et le réseau.
La Figure 3.35 montre le schéma électrique de la connexion d’un groupe des panneaux photovoltaïques, le filtre, le hacheur et le bus continu (modélisé par une capacité), connectés au réseau électrique par le convertisseur de puissance associé au filtre LC et les bobines de connexion.
Chapitre 3
Connexion de sources distribuées par convertisseur d’électronique de puissance
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Figure 3.35 Schéma électrique des panneaux photovoltaïques branchés au réseau.
Dans ce type de connexion, le groupe des panneaux fournit toute l’énergie dont il dispose au réseau. Il n’y a aucun élément de stockage ajouté au niveau du bus continu. Par contre ce stockage de l’énergie prend toute son importance quand le système doit fonctionner d’une manière isolée, à cause de la nature fluctuante de la source photovoltaïque.
Comme nous l’avons présenté précédemment, la commande a pour but de contrôler la tension aux bornes des condensateurs C1, C2, C3. Il faut donc trouver une méthode de contrôle des échanges de puissance active, réactive avec le réseau qui détermine la référence pour cette tension.
Pour cela, nous rappelons d’abord les principes classiques d’échange de puissance active et réactive entre 2 sources de tension au travers d’une ligne inductive (Figure 3.36) [Saadat, 1999].
Figure 3.36 Transfert de la puissance.
On pose :
v
con
v
con
con,v
res
v
res
res etz
lR
l
jX
l.Les puissances active et réactive échangées, en négligeant la résistance Rl=0 (zl X90), sont
données par les équations (3.24).
cos( )
) sin(
res con con res con res con res con V V X V Q X V V P (3.24)Chapitre 3
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Comme Rl=0, on suppose qu’il n’y a pas de pertes sur la ligne et que la puissance transmise est égale à
la puissance reçue. Le flux de puissance active sera donné pour la valeur de δ. Si l’angle δ est petit, alors (3.24) devient ((3.25)).
con res
con res con V V X V Q X V V P
(3.25)On peut voir la dépendance de la puissance active par rapport à l’angle δ. Cette dernière expression est valable quand la résistance n’est pas trop grande, ce qui est le cas de la majorité des cas pratiques. La puissance réactive dépend essentiellement de la différence de valeur efficace entre les tensions de part et d’autre de la ligne.
Nous allons nous baser sur ce modèle d’échange de puissance pour générer la référence de tension. Nous nous intéressons d’abord au calcul de la référence pour l’angle δ. Celle-ci est issue de l’intégration de l’écart entre une puissance active de référence Pref et la mesure de la puissance active filtrée échangée avec le réseau Pmes (Figure 3.37). La relation ((3.25)) ci-dessus qui rappelle la relation entre l’angle δ et la puissance, nous permet de déterminer la valeur du gain kp.
Figure 3.37 Boucle pour la puissance active.
Nous avons ajouté un filtre de premier ordre sur la puissance pour atténuer les effets d’un éventuel déséquilibre sur la puissance instantanée qui induirait des composantes harmonique à 100Hz. Le gain
kP, qui sert à contrôler la dynamique de la boucle, est calculé en choisissant un amortissement d’une
valeur 0.7, ce qui donne un temps de réponse de 1s.
Le calcul de la puissance réactive permet de déterminer la valeur efficace de la tension. On utilise une procédure similaire à celle suivie pour la puissance active (Figure 3.38).
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Finalement, la Figure 3.39 montre le lien entre ces 2 boucles de contrôle de puissance et la génération de la consigne de tension.
Figure 3.39 Structure de la commande de la puissance.
Une fois décrit le contrôle des puissances active et réactive, on peut maintenant expliquer le modèle complet de la connexion des panneaux sur le réseau (Figure 3.40). La référence pour la puissance active (Pref) dans la commande du convertisseur est donnée par la puissance disponible sur le bus continu, ce qui permet de transférer toute la puissance du bus continu vers le réseau. Cela est fait avec une boucle de régulation de tension dans le bus continu, il est donc nécessaire de donner la référence de tension pour le bus continu (Vbus_ref). Un régulateur de type proportionnel-intégral est utilisé, dans lequel les paramètres sont calculés seulement avec la partie qui correspond à la capacité du bus continu sans prenant en compte tout le modèle du convertisseur et des filtres qui lui sont associés. Une partie importante à prendre en considération dans la commande du convertisseur connecté sur le réseau avec les bobines de connexion, est la nécessité de faire une estimation de la fréquence du réseau. Il est indispensable de synchroniser correctement la source de tension avant la connexion sur le réseau de manière à éviter un appel de puissance non maîtrisé au moment de la connexion. Cette estimation de l’angle du réseau est aussi nécessaire pendant le fonctionnement car il est nécessaire de connaître la phase de la tension sur laquelle est raccordé le convertisseur de manière à bien contrôler les échanges de puissance.
De la même manière que pour l’algorithme du MPPT, l’estimation de la fréquence a été abordée dans de nombreuses publications et il existe différents techniques. Dans [Han et al, 2009], on trouve une synthèse de différents types de PLL (en anglais « phase locked loop ») pour les systèmes triphasés et monophasés. La PLL utilisée ici est décrite à l’annexe E.
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101 Figure 3.40 Bond graph d’un groupe des panneaux photovoltaïques branchés au réseau.
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Une simulation est faite pour montrer le comportement du modèle, dans lequel on prend pour les panneaux photovoltaïques une température constante de 25°C, et un éclairement de 1000 W/m2. On utilise 5 groupes de panneaux, où chaque un donne une puissance crête de 2.8 kW. On diminue la valeur de l’éclairement dans les panneaux de 1000 à 600 W/m2
, durant 4s de t=4s à t=8s. La Figure 3.41 montre la valeur de la puissance dans le bus continu et aussi les puissances active et réactive transférées vers le réseau. Une référence de Q=1kVAR a été fixée.
Figure 3.41 Puissances du panneau (pv) et du convertisseur (Pconv, Q).
On peut voir la régulation dans le bus continu à la Figure 3.42.
Figure 3.42 Tension dans le bus continu.
Finalement, la Figure 3.43 montre le courant injecté vers le réseau et dans la Figure 3.44 sont montrées les tensions de sortie du convertisseur.
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103 Figure 3.43 Courants injectés sur le réseau.
Figure 3.44 Tension de sortie du convertisseur.
3.6.
Conclusions
Dans ce chapitre on a présenté la commande dans le convertisseur, dérivée du bond graph inverse en utilisant le concept de bicausalité.
Pour tester les performances de la commande, une analyse de la robustesse par rapport à la variation de paramètres et de charge a été mise en œuvre. Cette analyse a été faite avec une approche classique (lieu des pôles), car la représentation en variables d’état du bond graph permet de faire cela d’une manière relativement facile. Avec les résultats obtenus, on a montré comment la commande est robuste par rapport à la variation de la charge; dans ce cas on a utilisé une charge classique de type RL et aussi une charge plus usuelle : une machine asynchrone, pour valider la robustesse. Cela a été fait de manière expérimentale et en simulation.
Le principe de réglage de la puissance transférée entre deux sources est utilisé dans l’implémentation de la boucle de puissance dans le convertisseur. Dans le réglage de la puissance, différents facteurs doivent être considérés, comme : la nécessité d’avoir les inductances de connexion pour l’implantation, et l’estimation de la fréquence avec un PLL pour réaliser la connexion du convertisseur d’une manière sûre.
Un groupe de panneaux photovoltaïques a été lié au convertisseur et connecté au réseau, pour montrer l’utilisation du réglage de la puissance dans le convertisseur.
Le contrôle global du système suppose de gérer précisément les échanges de puissance entre la source renouvelable et le réseau. Nous avons montré que la structure de la commande développée peut être associée à la commande de réglage de la puissance active et réactive dans le réseau.
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