8-9 juillet 2014, Cachan

Système solaire photovoltaïque connecté au réseau électrique

et associé à un filtre actif parallèle

Boualem BOUKEZATAa), Abdelmadjid CHAOUI b), Jean Paul GAUBERT c) et Mabrouk HACHEMI d)

a) Département d’électrotechnique, Université de Sétif 1, Algérie bboukezata@yahoo.com

b) Laboratoire d’Electronique de Puissance et Commande Industrielle (LEPCI), Université de Sétif 1, Algérie

madjid_chaoui@yahoo.fr

c) Laboratoire d’Informatique et d’Automatique pour les systèmes (LIAS-ENSIP), Université de Poitiers, France

jean.paul.gaubert@univ-poitiers.fr

d) Laboratoire d’Automatique de Sétif (LAS), Université de Sétif 1, Algérie, hachemimabrouk@yahoo.fr

RESUME – Dans cet article, un générateur photovoltaïque est connecté au réseau électrique en associant les

fonctionnalités d’un filtre actif parallèle de puissance afin d’améliorer la qualité de l’énergie. Le système proposé

est constitué d’un champ de panneaux solaires, un onduleur de tension triphasé raccordé au réseau et une

charge non linéaire constituée par un pont redresseur à diodes alimentant une charge résistive en série avec une

inductance. Des commandes directes en courant et en puissance sont proposées pour compenser les courants

harmoniques et la puissance réactive ainsi que l’injection de la puissance active solaire vers le réseau. Une

méthode globale de recherche du point de puissance maximal de type Perturb & Observe est appliquée. La

simulation du système sous l’environnement Matlab/SimulinkTM et des résultats expérimentaux prouvent la

robustesse des commandes directes qui garantissent simultanément la compensation des courants harmoniques,

la correction du facteur de puissance et l’injection de la puissance solaire vers le réseau électrique. Plusieurs

régimes sont abordés en fonction des niveaux de la puissance solaire PV injectée et consommée par la charge non

linéaire.

MOTS-CLES – Système Solaire Photovoltaïque, Commande Directe, Filtre Actif Parallèle, MPPT.

1. Introduction

L’énergie solaire captée à l’aide de panneaux photovoltaïques représente une alternative énergétique viable pour la

production d’électricité puisque cette dernière est une source renouvelable, à la fois propre, illimitée et avec un niveau

de risque très réduit. Son potentiel est très important à l’échelle du besoin de l’activité humaine, il est aussi très

largement réparti sur l’ensemble du globe ce qui lui confère un intérêt partagé par tous. Avec la diminution du prix des

modules photovoltaïques (PV) et l'augmentation du prix des énergies fossiles, l’exploitation de cette ressource avec des

systèmes de génération PV devient viable et rentable.

La croissance rapide d’utilisation des charges non linéaires dans les réseaux électriques tend à dégrader la qualité de

l’énergie électrique fournie aux consommateurs. Pour pallier ces problèmes de pollutions harmoniques, le filtrage actif

de puissance s’avère être une solution adéquate et performante.

Cet article se propose d’examiner les caractéristiques d’une association entre un générateur photovoltaïque (GPV) qui a

pour but d’injecter de la puissance active sur réseau électrique et d’un filtre actif parallèle qui a pour tâche d’éliminer

les perturbations présentes au niveau de ce réseau [1]-[3]. Ces perturbations sont soit issues de charges non linéaires et

se caractérisent par une pollution harmonique, la présence d’énergie réactive ou des déséquilibres soit introduites par

des réseaux contraints.

2. La configuration étudiée

La configuration étudiée se compose d’un générateur solaire PV connecté sur le bus continu d’un onduleur de tension

triphasé, couplé en parallèle au réseau à travers une inductance. Ce réseau électrique alimente un récepteur non linéaire

constitué par un redresseur PD3 ayant pour charge une résistance en série avec une inductance. Le synoptique de la

figure 1 illustre cette configuration. L’analyse des flux des puissances est ainsi examinée dans divers régimes imposés

par la fluctuation du niveau d’irradiation durant la période diurne et l’alternance avec la partie nocturne où seulement

les fonctions du filtre actif sont activées. Il est à noter qu’avec ce principe l’investissement matériel est identique à une

installation photovoltaïque connectée au réseau mais avec l’adjonction des fonctionnalités d’un filtre actif afin

d’améliorer la qualité de l’énergie sur le réseau au point de raccordement. C’est donc l’algorithme de commande de

l’onduleur de tension qui est adapté afin d’assurer simultanément au niveau du réseau électrique la compensation de la

pollution harmonique, de la puissance réactive, des déséquilibres et l’injection de la puissance fournie par les panneaux

PV.

Figure 1 : Schéma synoptique de la configuration étudiée

3. La commande directe en courant

Parmi les méthodes de détermination du courant de référence et de contrôle des convertisseurs, la commande directe en

courant par hystérésis est par nature la plus robuste même si elle se caractérise par un découpage non optimal. De par sa

robustesse, elle sert de référence de comparaison, son principe est schématisé sur la figure 2 [4]-[5].

Premièrement, la tension Vc aux bornes du condensateur de l’onduleur de tension est mesurée et comparée à une

tension de référence Vcref , le résultat de cette comparaison, donc l’erreur, est appliquée à un régulateur de type IP

pour obtenir l’amplitude du courant de référence maxIs . Cette dernière est multipliée ensuite par un signal sinusoïdal

d’amplitude unitaire et déphasé d’un tiers de période ( sin( t)ω , sin( t 2 / 3)−ω π et sin( t 2 / 3)+ω π et en phase avec

les tensions de source, afin d’établir les courants de référence instantanés ( )isref t .

Figure 2 : Structure de la commande directe en courant

4. Résultats de simulation

Pour tester la robustesse de la commande et l’algorithme de recherche du point de puissance maximal (Maximum

Power Point Tracking), un profil d’ensoleillement trapézoïdal pour balayer tous les modes de fonctionnement de notre

système est établi. Les simulations sont réalisées sous l’environnement Matlab/ SimulinkTM.

L’étude est partagée suivant deux modes : filtre actif parallèle seul entre les temps t=0.1s et t=0.4s puis le filtre actif

parallèle est associé avec l’injection de la puissance solaire de 0.4s à 2s. La figure 3 décrit le comportement de la

tension du bus continu lors de la mise en service du filtre à 0.1 s et des variations de l’irradiation de 0.4 s à 2 s. Les

perturbations sur la tension Vdc apparaissent lors des fortes évolutions de l’irradiation. Sur les figures 4a et 4b, les

puissances active et réactive du réseau suivent les trajectoires imposées par la commande, entre 0s à 0.4 s le réseau

fournit toute la puissance à la charge (irradiation nulle) et de 0.4s à 1.43 s le système solaire injecte de l’énergie vers la

charge polluante et le réseau en même temps. Entre 1.43s à 2s les deux sources assurent simultanément la génération de

la puissance, durant tous ces tests de robustesse la puissance réactive du réseau est nulle.

La figure 5a et 5b détermine l’évolution entre le courant du panneau solaire PV avec les courants de source et

l’adaptation entre les deux pendant le changement des conditions climatiques. Un agrandissement des courants (source,

Isa

Ica

Générateur

PV

Ifa

charge et filtre) est opéré sur les allures des figures 5c et 5d. Les ondes de la figures 5c, dans le cas où Ppv = 0,

prouvent que le courant de source est quasi sinusoïdal et en phase avec la tension réseau, le courant du filtre actif vient

compenser les courants harmoniques induits par la charge non linéaire. Dans le cas où le GPV est actif et constitue la

source dominante (Ppv > Pcharge), le courant du filtre actif (If Fig. 5d) contient l’information de la compensation

harmonique et de l’injection du courant solaire. Le courant de source reste quasi sinusoïdal mais en opposition de phase

(rotation de π ) par rapport au courant de la charge polluante et de la tension réseau. Ce déphasage prouve que le réseau

reçoit bien de la puissance active issue de la source renouvelable après soustraction de la valeur consommée par la

charge.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2220

230

240

250

260

270

280

290

t(s)

Vdc(V

)

Vdcref

Vdc

Figure 3 : Evolution de la tension du bus continu

0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

t(s)

Pond,P

s(W

) qs(V

AR)

Pond

qs

Ps

a- La puissance active du filtre (Pond), la puissance active / reactive de la source (Ps,qs)

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

500

1000

1500

2000

2500

t(s)

Ppv(W

)

Ppv

b- Puissance active injectée par le générateur PV

Figure 4 : L’écoulement des puissances dans le système global

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

2

4

6

8

10

t(s)

Ipv(A

)

Ipv

a- Le courant généré par le générateur PV

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-10

-5

0

5

10

t(s)

Isabc(A

)

Isa

Isb

Isc

b- Les courants de source

0.2 0.21 0.22 0.23 0.24 0.25 0.26

-10

-5

0

5

10

t(s)

Isa,Ila,Ifa

(A)

Isa

Ila

Ifa

c- courants de source, de charge, du filtre actif sans le système PV

0.8 0.805 0.81 0.815 0.82 0.825 0.83 0.835

-10

-5

0

5

10

t(s)

Isa,Ila,Ifa

(A)

Isa

Ila

Ifa

d- courant de source, de charge, du filtre actif avec le système PV

Figure 5 : Allures des différents courants avec le générateur PV connecté ou non

5. Conclusion

Dans ce travail, l’association entre un générateur solaire PV et un filtre actif est validée et permet d’apporter

simultanément des fonctionnalités ou des services au réseau de distribution au point d’injection sans ajout de matériel

spécifique. Les résultats confirment la faisabilité du système et valide les différentes fonctionnalités affectées à

l’onduleur de tension à savoir la compensation de la pollution harmonique, de la puissance réactive et le transfert du

flux énergétique de la partie solaire PV vers le réseau électrique. Une comparaison sera conduite avec une commande

directe en puissance, toujours avec une MPPT globale, et suivant les différents régimes liés au niveau des flux des

puissances.

6. Références

[1] Zheng Zeng, HuanYang, Rongxiang Zhao, Chong Chen, “Topologies and control strategies of multi-functional grid-

connected inverters for power quality enhancement: A comprehensive review”, Renewable and Sustainable Energy

Reviews, no. 24, pp. 223–270, 2013

[2] R. Noroozian, G. B. Gharehpetian, “An investigation on combined operation of active power filter with photovoltaic

arrays”, Electrical Power and Energy Systems, no. 46, pp. 392–399, 2013

[3] Ali Reza Reisi, Mohammad H. Moradi, Hemen Showkati, “Combined photovoltaic and unified power quality controller

to improve power quality”, Solar Energy, no. 88, pp. 154–162, 2013.

[4] A. Chaoui, J.-P. Gaubert, F. Krim, G. Champenois, “PI Controlled Three-Phase Shunt Active Power Filter for Power

Improvement Quality”, Electric Power Components and Systems, vol. 35, no. 12, pp. 1331-1344, Sep. 2007.

[5] M. Labben-Ben Braiek, F. Fnaiech, K. Al-Haddad, L. Yacoubi, "Study of Two Current Control Techniques Applied To A

Shunt Active Power Filter", Power Quality and Active Filtering III, Electrimacs, pp. 1-6, Aug. 2002.