Optimisation de l’extraction de la puissance électrique

Jean-Paul GAUBERT, Professeur des Universités

Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour les Systèmes

Optimisation de l’extraction de la puissance électrique

sur les systèmes solaires photovoltaïques

Journée Énergie Solaire et Smart Grid - UPJV Amiens

Octobre 2018

https://www.google.fr/url?sa=i&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwi5pOPI3LnbAhXKVRQKHUlZCB4QjRx6BAgBEAU&url=https://www.meilleures-grandes-ecoles.com/classement-ecoles-d-ingenieurs-specialisees-en-aeronautique-mecanique-automobile-post-prepa/isae-ensma-ecole-nationale-superieure-de-mecanique-et-d-aerotechnique-diplome-d-ingenieur-ensma.html&psig=AOvVaw2fBUqWacdDzKzuRun2F2Nw&ust=1528191866098245

Organisation scientifique du LIAS

2

LIASAutomatique

& Systèmes

Ingénierie des

Données

et des

Modèles

Modélisation

de Systèmes

Embarqués et

Temps Réel

Commande

Analyse

Identification

Diagnostic

Gestion des énergies

renouvelables et

réseaux intelligents

GEN2RI

Contrôle actif

Optimisation des

systèmes

électriques

Systèmes

multidimensionnels

& fractionnaires

Identification des

systèmes physiques

Sections CNU

27 - 61 - 63

39 Enseignants-Chercheurs 6 IATOSS 40 Doctorants

Journée UPJV - Amiens - Octobre 2018 2

19 EC dont 6 Pr, 6 MdC HDR, 7 MdC

Groupe de travail du LIAS : Gestion des ÉNergies Renouvelables et Réseaux Intelligents - GEN2RI

Optimisation

multicritère

gestion des

flux d’énergies

Modélisation

du réseau

Communication

Signal

Identification

des sources

polluantes

Modélisation

Architectures

convertisseurs

Surveillance

du réseau

Stratégies de

commande

Informatique

Usages

3Journée UPJV - Amiens - Octobre 2018 3

Optimisation de l’extraction de la puissance électrique sur les

systèmes solaires photovoltaïques

➢ Architecture globale d’intégration des énergies

renouvelables

➢ Chaîne de conversion pour un générateur

photovoltaïque (PV)

➢ Caractéristiques d’un générateur PV

➢ Générateur PV avec une irradiation réelle

➢ Algorithmes de recherche du point de

puissance maximale (PPM)

➢ Optimisation de la capture de l’énergie

électrique sous ombrage partiel

➢ Conclusion et perspectives


Architecture globale d’intégration des énergies

renouvelables

Emulateur

PV

Convertisseur

DC-DC

Conversion

AC-DCGS

Utilisateur

Sur le

Réseau AC

Contrôle

Convertisseur

DC-DC

Commande

MPPT

Réseau

AC

Commande

MPPT

Onduleur

DC-AC

MS


StockageStockage

Batteries

Super condensateurs

Utilisateur

Sur le

Réseau DC

Chaîne de conversion pour extraire l’énergie électrique d’un

générateur photovoltaïque

MPPT globale simple étage avec onduleur par chaîne


VDC

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

IDC

Gn

G1

PVn

G2

PV2

PV1

LVSI Réseau

VDC

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

IDC

Gn

G1

PVn

G2

PV2

G2

PV2

G2

G2

PV2

PV1

LLVSIVSI RéseauRéseauRéseau

MPPTVDC Iabc

Schéma de principe à deux étages d’une MPPT globale avec onduleur par chaîne

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

IDC

Gn

G2

G1

PVn

PV2

PV1

VSIDC-DC

DC

DC

MPPTV

DC

LRéseau

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

IDC

Gn

G2

G1

PVn

PV2

PV1

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

IDC

Gn

G2

G1

PVn

PV2

PV1

VSIDC-DC

DC

DC

MPPTMPPTV

DC

LRéseau

LRéseau


Chaîne de conversion pour extraire l’énergie électrique d’un

générateur photovoltaïque

Caractéristiques d’un générateur PV

Principaux paramètres d’un module PV


Point de Puissance Maximale (MPP)

Ipv

(A)

Ppv

(W)

Vpv (V)

Ppv = 0

Ppv = 0

Caractéristiques d’un générateur PVInfluence de l’irradiation et de la température sur un générateur PV


Vpv (V)

Ipv

(A)

Vpv (V)

Ipv

(A)

Vpv (V)

Ppv

(W)

Ppv

(W)

Vpv (V)

Générateur PV avec un éclairement réelVariation de la puissance d’un générateur PV avec un éclairement réel

Variation linéaire et homogène (journée ensoleillée)


Temps (h)

http://www.google.fr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjH1_TlzuzdAhVOxIUKHciVAHwQjRx6BAgBEAU&url=http://www.pyreneesinfotarbes.fr/meteo-le-temps-pour-tarbes-et-les-hautes-pyrenees-4/&psig=AOvVaw3U1yttnoFYbK1G_SXFNDWv&ust=1538736464207966


Variation linéaire et non homogène (journée ensoleillée mais nuageuse)


Temps (h)

https://www.google.fr/imgres?imgurl=https://s3.amazonaws.com/pix.iemoji.com/images/emoji/apple/ios-11/256/sun-behind-small-cloud.png&imgrefurl=https://www.iemoji.com/view/emoji/901/animals-nature/sun-behind-small-cloud&docid=8DE57u5ppXSDwM&tbnid=eOgC-Dd5S1cHPM:&vet=1&w=256&h=256&bih=955&biw=1680&ved=2ahUKEwjH1_TlzuzdAhVOxIUKHciVAHwQxiAoBXoECAEQGQ&iact=c&ictx=1



Variation linéaire et non homogène (journée très nuageuse)

Temps (h)

https://www.google.fr/imgres?imgurl=https://gruastelescopicassoftware.com/images/atardecer.png&imgrefurl=https://gruastelescopicassoftware.com/images/&docid=u4KvDH-pokjIbM&tbnid=z6kszCbtmHhc8M:&vet=1&w=280&h=257&bih=955&biw=1680&ved=2ahUKEwjH1_TlzuzdAhVOxIUKHciVAHwQxiAoA3oECAEQFw&iact=c&ictx=1


P[W]

V[V] t[s]

Variation linéaire et homogène

P[W]

V[V]

t[s]

Variation linéaire et non homogène

dP/dV = 0


http://www.google.fr/url?sa=i&rct=j&q=&esrc=s&source=images&cd=&cad=rja&uact=8&ved=2ahUKEwjH1_TlzuzdAhVOxIUKHciVAHwQjRx6BAgBEAU&url=http://www.pyreneesinfotarbes.fr/meteo-le-temps-pour-tarbes-et-les-hautes-pyrenees-4/&psig=AOvVaw3U1yttnoFYbK1G_SXFNDWv&ust=1538736464207966


Émulateur de panneaux solaires PV

20 40 60 80 100 1200

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

I[A]

V[V]

20 40 60 80 100 1200

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

P[W]

V[V]

Émulateur de panneaux solaires pilotables Caractéristiques avec une irradiation non homogène

et constante

(G1= 1000 W/m2, G2= 700 W/m2 et G3= 400 W/m2)


Émulateur de panneaux solaires programmables

Algorithmes de recherche du PPM (MPPT)


0 5 10 15 20 25 30 35 40

Tension (V)

0

50

100

150

200

250

Pu

i ss

anc

e( W

)

𝑮 = 𝟏𝟎𝟎𝟎 Τ𝑾 𝒎𝟐

𝑻 = 𝟐𝟓°𝑪

𝑻 = 𝟒𝟓°𝑪

𝑻 = 𝟓°𝑪

𝑮 = 𝟖𝟎𝟎 Τ𝑾 𝒎𝟐

𝑮 = 𝟔𝟎𝟎 Τ𝑾 𝒎𝟐


➢ L’algorithme MPPT peut être indépendant (méthodes directes)

ou dépendant (méthodes indirectes) des paramètres de générateur

PV

➢ Méthodes basées sur un fonctionnement à tension fixe ou sur la

tension du circuit ouvert, sur le courant court-circuit, sur la

perturbation et l’observation (P&O), l’incrément de conductance

(Inc-Cond), Hill Climbing, d’auto-oscillation, logique floue, les

réseaux de neurones artificiels, essaims particulaires, …

➢ Les critères pour évaluer un algorithme MPPT sont : la

stabilité, l’erreur statique, la réponse dynamique, la robustesse

vis-à-vis des perturbations, efficience sur une large plage

d’ensoleillement, nombre de capteurs, détection de multiples

maximums locaux, …




Exemple : algorithme du type Perturbation et Observation (P&O)

Ppv < 0

Ppv > 0

Ppv < 0

Ppv > 0

Ppv 0

PPM



Exemple : algorithme du type Perturbation et Observation (P&O)

Pu

issa

nce

(W

)

Tension (V)

Trajet idéal

Pertes dues aux

erreurs de trajectoires

Trajet P&O



Exemple : algorithme de l’incrément de conductance (IncCond)

Ppv

Vpv> 𝟎

Ppv

Vpv< 𝟎

Ppv

Vpv= 𝟎

PPM



Comparaison algorithme du type Perturbation et Observation (P&O) et proposé

Variation de la puissance à la sortie

du générateur PV

Évolution du point de fonctionnement

Énergie récupérée à la sortie

du générateur PV




Évolution de l’irradiation sur une journée très nuageuse





Variation de la puissance à la sortie du générateur PV

Évolution de l’irradiation sur une journée très nuageuse

Énergie récupérée à la sortie

du générateur PV


Optimisation de la capture de l’énergie électrique sous ombrage partiel

Exemple sur une configuration d’ombrage

Pour G1= 1000W/m2 la puissance PPPM1 = 120W

Pour G2= 700W/m2 la puissance PPPM2 = 84W

Pour G3= 400W/m2 la puissance PPPM3 = 48WPT = 252 W

0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

P[W]

V[v]0 20 40 60 80 100 120 1400

50

100

150

200

250

P[W]

V[v]

PPPMG<< PPPMi

MPPT locale

PPMG = 180.3 W

PT = 252W

(PPPMG/PT )*100 = 71.54%



Exemple sur une configuration d’ombrage où le GMPP est centré

Essai en simulation

Irradiation solaire des 3 PV : 1000 W/m²; 500 W/m²; 250 W/m²

Solution Software

GMPP

LMPPLMPP

46,1 W

52,3 W

41,2 W




Essai en simulation


Solution Sofware

Scan




Relevés expérimentaux


GMPP : Impp = 1,85 A ; Vmpp = 31,2 V ; Pmpp = 57,8 W




Relevés expérimentaux


Scan



MPPT locale avec un convertisseur DC-DC en cascade

Réseau L VSI

VDC

DC

DC

DC

DC

DC

DC

VPVn

VPV2

VPV1

IPVn

IPV2

IPV1

VC1

VC2

VCn

IDC IDCn

IDC2

IDC1

Gn

G2

G1

PVn

PV2

PV1


Solution hardware


MPPT locale avec un convertisseur DC-DC en cascade et déviateur de courant

Cn

C2

C1

Ln-1

L1

S1

S2

S3

S2*n-2

Gn

G2

G1

Vdc

DC

DC

DC

DC

DC

DC

PVn

PV2

PV1

IPVn

IPV2

IPV1

VPVn

VPV2

VPV1

IDCn

IDC2

IDC1

VCn

VC2

VC1

VSI LRéseau



30

Expérimentation de la MPPT locale avec un convertisseur DC-DC

et déviateur de courant

Ten

sion

[V

]

Temps [s]

Mise en

fonctionnement

du déviateur

VC3 avec G3 = 1000 W/m²

VC2 avec G2 = 400 W/m²

VC1 avec G1 = 200 W/m²

Journées du club EEA - Nancy - Avril 2013 30Journée UPJV - Amiens - Octobre 2018 30


Expérimentation de la MPPT locale avec un convertisseur DC-DC

et déviateur de courant

PPV1

(W)

PPV2

(W)

PPV3

(W)

PT

(W)

PDC

(W)

Rendement

(%)

Puissances théoriques 120.0 48.0 24.0 192 192-

Puissances avec la

méthode classique 103.0 45.0 3.0 151 151 78.64%

Puissances avec la

méthode proposée 116.6 45.5 22.7 184.8 180.5 94.01%

+16%


MPPTVDCIabc

D


MPPT globale avec déviateur de courant

sans convertisseurs DC-DC

Observation

La variation de la

tension au point de

puissance maximale

VPPM en fonction de

l’ensoleillement est

très faible

Proposition

Déviateur de

courant directement

connecté en sortie

des panneaux PV

PVn

PV2

PV1

IPVn

IPV2

IPV1

VPVn

VPV2

VPV1

L

Cn

C2

C1

Ln-1

L1

S1

S2

S3

S2*n-2

Réseau

VDC

VSI


Solution hardware


Résultats avec MPPT globale et déviateur de courant sans convertisseurs DC-DC

G [W/m2]V [V]

Zone 1

Zone 2

Zone 3

>97%

>90%

Zone 1 : VPV = VPPM

Zone 2 : VPV < VPPM

Zone 3 : VPV > VPPM


Optimisation des générateurs photovoltaïques

➢ Prise en compte des phénomènes de disparité réalistes et fréquents de

l’irradiation (sur les centrales PV, habitat résidentiel ou tertiaire)

➢ Optimisation des algorithmes d’extraction de la puissance maximale (MPPT)

➢ Amélioration de la productivité dans des configurations d’ombrage partiel

➢ Elaboration d’une architecture de conversion de puissance adaptée

aux différentes configurations

➢ Choix des structures des convertisseurs de puissance les plus efficientes

➢ Poursuivre la recherche sur les cellules photovoltaïques pour augmenter leur

rendement de conversion

➢ Concevoir des stratégies de gestion optimale des flux d’énergie pour

l’injection de la puissance sur les réseaux électriques de distribution

➢ Rendre les réseaux insensibles à l'intermittence des énergies renouvelables

➢ Garantir la sécurité, la fiabilité et la stabilité des Smart Grid

Conclusion

Perspectives


Merci

de votre attention


Optimisation de l’extraction de la puissance électrique

Documents

Transcript of Optimisation de l’extraction de la puissance électrique