La simulation numérique présente de nombreux avantages devant la simulation analogique, elle rend la modélisation plus simple et plus rapide, les dangers de manipulation sont réduits et les modèles peuvent être rapidement modifiés. Cependant, pour que les résultats d’une simulation numérique soient exploitables et précis, une modélisation adaptée aux phénomènes étudiés doit être réalisée. Cette étape de modélisation peut s’avérer délicate étant donné qu’il n’est pas toujours évident de modéliser les systèmes étudiés. Dans le cas de ces travaux, les simulations présentées dans les chapitres précédents sont basées sur la modélisation de réseaux de distribution, de charges et de GED. La modélisation des réseaux électriques est bien connue et de nombreux modèles existent. Jusqu’à présent, les charges et les GED ont été modélisées dans le réseau comme des nœuds où de l’énergie est absorbée ou consommée (voir paragraphe I.6). Sachant que ce chapitre vise à vérifier le fonctionnement et l’implémentabilité des stratégies de pilotage précédemment développées sur des GED de type PV, l’onduleur solaire doit désormais être ajouté à la simulation. Cependant, la modélisation complète et réaliste d’un onduleur solaire serait extrêmement compliquée et impliquerait de connaitre les algorithmes internes, les systèmes de sécurité ou encore les technologies des composants, c’est pourquoi il est plus facile et plus fiable d’intégrer à la simulation un onduleur réel. La simulation devient alors une simulation « hybride ».
La simulation hybride combine une partie numérique ("software") et une partie analogique ("hardware"). Dans cette étude, le réseau et les charges représentent la partie numérique de la simulation, tandis qu'un système de production photovoltaïque physique compose la partie analogique.
- 135 - Une simulation hybride implique également une exécution en temps réel. En effet, la partie analogique de la simulation incorpore des éléments physiques pour lesquels une seconde de simulation représente une seconde dans la vie réelle. Ainsi, pour pouvoir synchroniser les parties numérique et analogique et échanger des variables entres elles, via des systèmes de conversion numérique-analogique et analogique-numérique, la partie numérique doit également fonctionner en temps réel. La dernière particularité de cette simulation est la présence de forte puissance, puisque l’installation PV peut produire plusieurs kilowatts. Un échange de puissance doit donc être réalisé entre un équipement
hardware et un logiciel, ce qui ne peut se faire qu'à travers un système d'amplification, d'où le terme
en anglais de simulation Power-Hardware-In-The-Loop ou PHIL.
V.2.1 Fonctionnement de la simulation PHIL
La figure V.1 présente le fonctionnement général d’un simulateur PHIL. Les modélisations sont faites sous un PC de développement puis compilées et chargées dans le simulateur temps-réel. Les variables du modèle numérique nécessaires aux équipements réels sont converties en format analogique puis envoyées à l’amplificateur qui adapte les signaux aux amplitudes souhaitées. Les équipements réels peuvent alors être connectés en sortie de l’amplificateur. Des capteurs bouclent le système en mesurant les grandeurs des équipements réels qui interagissent avec le modèle numérique. Certains systèmes peuvent être directement connectés au simulateur sans amplificateur si leurs signaux sont adaptés aux cartes d’entrée / sortie du simulateur (signaux de faible puissance), dans ce cas on parle de simulation HIL pour Hardware-In-The-Loop.
Figure V.1 : Architecture d’une plateforme de simulation PHIL [OPAL RT]
Le fonctionnement d’une simulation PHIL implique plusieurs règles :
- Un pas de simulation fixe permettant de synchroniser l’échange des données entre les parties numérique et analogique. En PHIL, il n’est pas possible d’utiliser un pas de temps variable, qui permet généralement dans le cas d’une simulation numérique classique d’adapter le pas de calcul à la dynamique des grandeurs simulées et donc d’optimiser le temps de calcul sans perdre en précision [OCN 08].
- 136 -
- Le choix d’une fréquence d’échantillonnage appropriée. Etant donné que le pas de simulation est fixe, le choix de la fréquence d’échantillonnage doit prendre en compte la précision désirée, la taille du modèle et la puissance de calcul du simulateur [GOM 05].
- L’utilisation de signaux temporels ou une reconstitution de signaux temporels. En effet, les équipements réels présents dans la simulation PHIL doivent être connectés à l’amplificateur par des signaux temporels. Dans la présente étude, les signaux entre l’onduleur et l’amplificateur doivent être des sinusoïdes (pas d'étude harmonique ici) avec une amplitude proche de 230 V et une fréquence de 50 Hz. La résolution du modèle à partir d’un Load Flow travaillant avec les valeurs RMS des signaux est donc proscrite ou impose de les convertir ensuite en signaux temporels.
V.2.2 Présentation de la simulation PHIL pour l’évaluation des stratégies de
pilotage des GED
La simulation présentée est construite autour du simulateur temps réel RT-Lab développé par le constructeur Canadien OPAL-RT. Ce simulateur présente la particularité d’être compatible avec MatLab Simulink, ainsi la modélisation est faite sous Simulink puis les modèles sont convertis et exécutés sur le simulateur. Le système CAP et les pilotages de la puissance réactive du système PV, sont étudiées en simulation PHIL à partir des mêmes réseaux que précédemment modélisés sous Simulink. Les principales parties de la simulation sont présentées ci-dessous :
- Insertion de l’onduleur réel dans la simulation : elle se fait en récupérant les tensions des trois phases dans le modèle au nœud prédéterminé de raccordement (voir figure V.3). Le Convertisseur Numérique Analogique (CNA) permet d’obtenir en sortie du simulateur une consigne analogique pour piloter l’amplificateur. A partir d’un gain, l’amplificateur reproduit alors les tensions réelles qui permettent de connecter le système PV. Le courant produit par l’onduleur est mesuré et converti en signal numérique pour être pris en compte dans la modélisation du réseau sur le simulateur.
- Emulation du PV : afin de ne pas dépendre des conditions météorologiques pour effectuer les tests, le PV est émulé par une source de courant continu programmable. A travers un nano-calculateur de type Raspberry, une courbe de production journalière de PV est communiquée à la source DC qui la reproduit en sortie. L’onduleur applique un algorithme de type MPPT (Maximum Power Point
Tracking, en Anglais) permettant d’extraire la puissance maximale du PV à chaque point de
fonctionnement en ajustant la tension du bus DC. Afin que l’onduleur reconnaisse le fonctionnement d’un PV et ne se mette pas en défaut, la source DC est programmée de façon à reproduire le comportement d’un PV. Ainsi, une caractéristique courant-tension typique de PV, = ‡( ), est embarquée sur le calculateur Raspberry afin d’ajuster le courant en sortie de la source DC en fonction des variations de tension du bus DC faites par l’onduleur (voir figure V.2).
- 137 -
Figure V.2 : Consigne de courant envoyée à la source DC pour reproduire le comportement d’un PV
Figure V.3 : Simulation PHIL avec onduleur monophasé