Un système photovoltaïque autonome ne produisant pas d’excès de puissance!

Résumé

Les systèmes photovoltaïques autonomes sont utilisés pour alimenter en électricité les maisons et les compagnies isolées; elles sont aussi utiles dans plusieurs applications des domaines de la santé, de l’agriculture, des télécommunications et des services publics. Lorsque les piles sont chargées au maximum de leur capacité, l’électricité produite doit être éliminée au moyen d’une charge de délestage pour éviter les bris. Les chercheurs du Groupe de recherche en électronique de puissance et commande industrielle (GREPCI) de l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal ont conçu un système photovoltaïque autonome qui produit de l’électricité sans excès, ce qui lui permet de fonctionner sans charge de délestage.

Mots clés : photovoltaïques, charge de délestage, système autonome

Introduction

L’utilisation de combustibles fossiles pour produire de l’énergie électrique a des répercussions négatives sur l’environnement [1]. Pour remédier à ce problème, des sources d’énergie renouvelables, comme l’énergie éolienne, solaire, hydroélectrique et de biomasse sont utilisées partout dans le monde [2]. Récemment, l’énergie solaire provenant de champs de panneaux photovoltaïques a reçu une grande attention, surtout dans les régions éloignées, pour de nombreuses raisons, telles que :
1) Les champs de panneaux photovoltaïques fournissent une énergie propre et sans danger;
2) La source d’énergie (les rayons du soleil) est gratuite et abondante;
3) Leur coût d’exploitation et d’entretien est très faible [3].

Malheureusement, cette source d’énergie renouvelable présente certains inconvénients liés à son rendement pendant la nuit et aux changements de conditions climatiques [4]. Il est conseillé d’utiliser des convertisseurs à deux étapes pour obtenir le maximum de puissance à partir des panneaux photovoltaïques et réguler la tension et la fréquence au point de couplage commun (PCC), lequel est défini comme « la jonction entre les sources et les charges dans un réseau électrique » [5].

Figure 1. Points de couplage communs (PCC) d’éléments divers dans un miniréseau

Plusieurs techniques de suivi du point de puissance maximum (MPPT) ont été proposées dans la littérature pour maximiser la production d’électricité des champs de panneaux photovoltaïques en commandant le convertisseur élévateur courant continu – courant continu (CC – CC).

Figure 2. Courbe du courant en fonction de la tension des cellules solaires et point de puissance maximum (MPPT)

Problématique

Dans un système autonome, il doit exister à tout moment un équilibre entre la puissance active et la puissance réactive afin que la fréquence et la tension du courant alternatif (CA) du réseau demeurent constantes au point de couplage commun (PCC). Habituellement, lorsqu’un champ de panneaux photovoltaïques est utilisé dans un système autonome, des éléments supplémentaires, tels qu’un système de stockage d’énergie par batteries (BESS) et une charge de délestage, sont nécessaires afin d’assurer la continuité de l’alimentation électrique et un équilibre des puissances active et réactive [6].

Figure 3. Exemple de système de stockage d’énergie par batteries (BESS) dans un système autonome

La charge de délestage sert à décharger la puissance excédentaire lorsque les batteries sont complètement chargées et que la demande d’électricité est inférieure à celle produite par le champ de panneaux photovoltaïques. En général, un tel élément est raccordé du côté CA et, à moins qu’il ne soit complètement résistif, il ne peut pas maintenir la tension et la fréquence constantes par dissipation de la puissance excédentaire. Par ailleurs, la charge de délestage n’étant pas linéaire, elle affecte la qualité du signal en introduisant des courants harmoniques dans le système.

Figure 4. Exemple de système avec charge de délestage

Figure 5. Exemple de résistance utilisée comme système de charge de délestage

Solution

Nous avons conçu un système dans lequel l’équilibre de puissance est réalisé en chargeant et en déchargeant la batterie (voir figure 6).

Figure 6. Système autonome proposé

Lorsque la batterie est complètement chargée, le champ de panneaux photovoltaïques fournit, par l’intermédiaire de la commande de retour de courant proposée, la demande d’électricité nécessaire, telle que commandé par le convertisseur élévateur CC – CC. En conséquence, cette solution permet de réduire le coût d’installation. Les problèmes qu’une charge de délestage peut créer du côté CA, notamment la détérioration de la qualité du signal, sont ainsi supprimés lorsque la charge de délestage est éliminée.

Concernant le suivi du point de puissance maximum, la tension CA et la fréquence du système de même que l’amélioration de la qualité du signal, nous proposons une approche de commande par mode de glissement comme algorithme de commande pour le convertisseur élévateur CC – CC et pour le convertisseur à source de tension CC. Cette approche permet en effet de garantir la stabilité du système et une réponse dynamique rapide. En outre, elle offre une grande robustesse face aux variations des paramètres et elle est facile à mettre en œuvre.

Expérimentation

La figure 7 illustre le système proposé. Les performances sont évaluées pour un système en temps réel de 500 VA utilisant un contrôleur de traitement numérique du signal, pris en charge par un environnement MATLAB/Simulink en temps réel. Un émulateur solaire LabVolt est utilisé comme champ de panneaux photovoltaïques.

Figure 7. Montage expérimental

Conclusions

Le système fonctionne sans charge de délestage et offre une protection du système de stockage d’énergie par batteries (BESS) contre les surcharges en utilisant la nouvelle commande de retour de courant proposée et en forçant le champ de panneaux photovoltaïques à fournir exactement la demande en électricité nécessaire, ce qui rend le système plus efficace et moins coûteux. Avec l’utilisation d’une commande SMC, aucun des deux algorithmes de contrôle proposés n’a besoin de régulateurs PI linéaires. De plus, l’approche de modélisation permet de minimiser le nombre de capteurs.

Autres applications

Le système proposé peut être utilisé pour :

• L’agriculture : par exemple dans les installations de pompage d’eau et les systèmes d’irrigation automatique.

Figure 8. Exemple de système d’irrigation automatique

• Le secteur industriel, les télécommunications et les services publics : par exemple l’éclairage pour les enseignes et les panneaux à distance, comme les espaces de publicité extérieurs, les aides à la navigation en mer, les panneaux routiers de direction et les éclairages publics dans les régions éloignées

Figure 9. Éclairages urbains à énergie solaire dans les rues d’une communauté en Oregon

• Les soins de santé : le système proposé peut fournir la réfrigération nécessaire pour la conservation des vaccins et des poches de transfusion sanguine pour les unités sanitaires mobiles dans les régions éloignées.

Figure 10. Réfrigérateur solaire pour vaccins au Burkina Faso

Renseignements supplémentaires

Pour obtenir des renseignements supplémentaires sur l’objet de cet article, nous vous invitons à lire l’article de recherche (en anglais) suivant :
Rezkallah, M.; M. Rezkallah, A. Hamadi, and A. Chandra (2015. Real-Time HIL Implementation of Sliding Mode Control for Standalone System Based on PV Array Without Using Dumpload. IEEE Transactions on Sustainability Energy, pp. 1-9. (PDF)

Veuillez consulter notre site Web pour des renseignements supplémentaires sur les autres projets réalisés par le Groupe de recherche en électronique de puissance et systèmes de commande industriels (GREPCI) et les étudiants que nous recherchons pour nos projets.