Résumé : La production d'énergie photovoltaïque, méthode de production d'énergie nouvelle et non polluante, a considérablement réduit la demande en énergie électrique traditionnelle. Cependant, pour les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, en raison de leur caractère aléatoire, volatil et intermittent, et du grand nombre de composants électroniques de puissance non linéaires qu'ils comportent, la production d'énergie photovoltaïque a un impact important sur la qualité de l'énergie du réseau, comparativement aux méthodes de production traditionnelles. Cet article analyse les harmoniques, les fluctuations et le scintillement de tension, l'injection de courant continu, l'îlotage et d'autres problèmes causés par la production d'énergie photovoltaïque raccordée au réseau, et étudie et discute des mesures envisageables pour améliorer la qualité de l'énergie.
Introduction
Avec l'accélération de l'internationalisation et le développement rapide de l'économie mondiale, la consommation d'énergie a explosé, tandis que l'épuisement progressif des énergies traditionnelles et l'aggravation des problèmes environnementaux accentuent la gravité de la situation. L'énergie solaire, énergie renouvelable propre et non polluante, suscite un intérêt croissant. Ces dernières années, la capacité installée de production d'énergie photovoltaïque n'a cessé de croître, et la production d'électricité injectée sur le réseau a progressé d'année en année. Cependant, la faible capacité installée, la dispersion relative des sites et les importantes fluctuations de la puissance de sortie ont un impact considérable sur la qualité de l'énergie du réseau. Il est donc crucial d'étudier l'influence de la production d'énergie photovoltaïque sur la qualité de l'énergie afin d'optimiser la production d'électricité et de garantir le fonctionnement sûr et stable du réseau électrique.
1. Principe de base de la production d'énergie photovoltaïque
La production d'énergie photovoltaïque exploite l'effet photovoltaïque présent à la surface du semi-conducteur pour générer un courant continu grâce à la lumière qui frappe ses deux extrémités. Lorsque le soleil éclaire la jonction PN du semi-conducteur, une nouvelle paire électron-trou se forme. Après l'excitation de l'électron par un photon, celui-ci migre vers la région N et le trou vers la région P, créant ainsi une différence de potentiel entre les deux extrémités du semi-conducteur. Une fois le circuit connecté aux extrémités de la jonction PN, un courant circule de la zone P vers la zone N via le circuit externe, et l'énergie électrique est fournie à la charge.
2. Structure et classification de la production d'énergie photovoltaïque raccordée au réseau
Un système de production d'énergie photovoltaïque raccordé au réseau est principalement composé de panneaux solaires (modules), d'un contrôleur de suivi du point de puissance maximale (MPPT), d'un onduleur CC-CA et d'autres éléments. L'onduleur photovoltaïque utilise des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) comme éléments de commutation. Le courant continu (CC) issu des cellules solaires est élevé par le convertisseur CC-CC afin d'augmenter son niveau de tension, puis converti en courant alternatif (CA) de même amplitude, fréquence et phase.voltmètre sur rail DINL'onduleur CC-CA permet d'intégrer le réseau électrique ou d'alimenter une charge CA. La structure du système de production d'énergie photovoltaïque est illustrée à la figure 1.
Figure 1 Structure d'un système de production d'énergie photovoltaïque raccordé au réseau
Selon le mode de fonctionnement par raccordement au réseau, les systèmes de production d'énergie photovoltaïque se déclinent en trois catégories : raccordement au réseau à contre-courant, raccordement au réseau sans contre-courant et raccordement au réseau par commutation. Le système photovoltaïque raccordé au réseau est directement connecté à ce dernier, ne nécessite pas de batteries de stockage d'énergie, permet un gain de surface au sol, réduit considérablement les coûts d'installation et compense le déficit de puissance de la charge par le réseau. De ce fait, le système photovoltaïque raccordé au réseau représente la principale voie de développement de la production d'énergie solaire et constitue, à l'heure actuelle, une méthode prometteuse de production d'énergie nouvelle.
3. Influence de la production d'énergie photovoltaïque raccordée au réseau sur la qualité de l'énergie du réseau
La production d'énergie photovoltaïque, en tant que nouvelle source d'énergie, est fortement influencée par les variations aléatoires, la volatilité et l'intermittence des conditions extérieures telles que l'éclairage et la température. Parmi les principaux facteurs ayant un impact sur le réseau électrique, on trouve l'onduleur CC-CA, un composant essentiel des systèmes photovoltaïques raccordés au réseau. La qualité de cet onduleur détermine en partie si la qualité de l'énergie photovoltaïque produite répond aux exigences du réseau. Lors du raccordement d'une installation photovoltaïque au réseau, des problèmes tels que les harmoniques, les fluctuations et le scintillement de tension, les injections de courant continu et l'îlotage peuvent survenir, dégradant ainsi la qualité de l'énergie et engendrant des perturbations sur le réseau. Dans les cas les plus graves, ces problèmes peuvent compromettre la sécurité et la stabilité du système d'alimentation électrique et des équipements photovoltaïques eux-mêmes.
3.1 Influence harmonique
La production d'énergie photovoltaïque consiste à convertir l'énergie solaire en courant continu grâce à des modules photovoltaïques, puis, via un onduleur raccordé au réseau, à convertir ce courant continu en courant alternatif pour permettre l'injection de cette énergie dans le réseau. Dans un système de production d'énergie photovoltaïque, l'onduleur est le principal générateur d'harmoniques. L'utilisation massive de composants électroniques de puissance dans les onduleurs raccordés au réseau a amélioré le traitement intelligent de l'information par le système, mais a également engendré une augmentation importante des charges non linéaires, provoquant une distorsion de la forme d'onde et une forte augmentation des harmoniques. Le temps de réponse de l'onduleur influe également sur les performances dynamiques globales du réseau électrique, ce qui se traduit par une faible variation de la fréquence des harmoniques. En cas de fortes variations météorologiques (irradiance, température), la variation de la fréquence des harmoniques augmente. Bien que les harmoniques du courant de sortie d'un onduleur unique raccordé au réseau soient faibles, celles de plusieurs onduleurs raccordés au réseau se superposent lorsqu'ils sont connectés en parallèle, ce qui peut entraîner un dépassement des seuils harmoniques. De plus, le raccordement en parallèle des onduleurs est susceptible de produire une résonance parallèle, ce qui entraîne un phénomène de résonance de couplage, provoquant l'expansion du courant harmonique spécifique et le problème d'une teneur harmonique excessive du courant connecté au réseau.
Face au problème de la qualité de l'énergie après l'installation de panneaux photovoltaïques, des méthodes efficaces de suppression des harmoniques sont proposées :
1) En partant de la source de génération d'harmoniques, la source d'harmoniques est reformée pour réduire l'injection d'harmoniques.
2) Dispositif de filtres actifs ou passifs pour absorber un certain nombre de courants harmoniques.
3) Installer des dispositifs de compensation harmonique supplémentaires.
3.2 Fluctuations et scintillements de tension
Dans un réseau de distribution traditionnel, les variations de puissance active et réactive au fil du temps entraînent des fluctuations de tension. Pour la production d'énergie photovoltaïque, les variations de puissance active du système sont le principal facteur de fluctuations et de scintillements de tension au point de raccordement. Le point de puissance maximale des panneaux photovoltaïques, composants essentiels du système, est étroitement lié à l'intensité du rayonnement, aux conditions météorologiques, à la saison, à la température et à d'autres facteurs. Les variations aléatoires de ces facteurs naturels entraînent d'importantes variations de la puissance de sortie, provoquant de fréquentes variations de la puissance de charge dans une certaine plage. Il en résulte des fluctuations et des scintillements de tension chez l'utilisateur raccordé au réseau.
À l'heure actuelle, les solutions aux problèmes de fluctuation et de scintillement de la tension photovoltaïque sont les suivantes :
1) Optimiser la stratégie de contrôle des onduleurs photovoltaïques connectés au réseau pour améliorer la stabilité de la tension.
2) Augmenter la capacité de court-circuit du jeu de barres de la sous-station.
3) Lorsque la capacité de la centrale photovoltaïque est déterminée, son facteur de puissance est augmenté pour augmenter la puissance active totale, réduisant ainsi la quantité de variation de puissance réactive et répondant aux exigences limites des fluctuations de tension.
3.3 Problème d'injection CC
Un autre problème majeur à résoudre dans les systèmes de production d'énergie photovoltaïque raccordés au réseau est l'injection de courant continu. Cette injection affecte la qualité de l'énergie du réseau et a également des effets néfastes sur les autres équipements qui y sont connectés. Les normes IEEE 929-2000 et IEEE 547-2000 stipulent clairement que la composante de courant continu injectée dans le réseau par le dispositif de production d'énergie raccordé ne peut excéder 0,5 % du courant nominal du dispositif. Les principales causes de l'injection de courant continu sont les suivantes :
La dispersion du dispositif électronique de puissance lui-même et l'incohérence et l'asymétrie du circuit de commande ; 2) La dérive du zéro et la non-linéarité des dispositifs de mesure dans le contrôleur de puissance élevée ; 3) L'asymétrie de l'impédance de ligne de chaque dispositif de commutation, l'influence des paramètres parasites et des champs électromagnétiques parasites, etc.
Actuellement, les principales méthodes de suppression de l'injection de courant continu comprennent : 1) la méthode de compensation de détection ; 2) l'optimisation et la conception de la structure de connexion au réseau de l'onduleur ; 3) la séparation directe des condensateurs ; 4) la méthode de capacité virtuelle ; 5) le transformateur d'isolation des dispositifs.
3.4 L’effet d’île
L'îlotage électrique désigne le phénomène où, suite à une interruption de l'alimentation électrique du réseau (dû à des causes humaines ou naturelles), les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau ne détectent pas la coupure à temps, et continuent donc de fonctionner indépendamment des charges qui y sont connectées. Avec l'augmentation constante du taux de pénétration des systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, la probabilité d'îlotage électrique s'accroît. Ce phénomène a des conséquences néfastes sur la qualité de l'énergie de l'ensemble du réseau de distribution, notamment :
1) À l'endroit où se produit l'effet d'îlot, la tension et la fréquence fluctuent fortement, ce qui réduit la qualité de l'énergie, et la tension et la fréquence dans l'îlot ne sont pas contrôlées par le réseau électrique, ce qui peut endommager les équipements électriques du système et provoquer des défauts de réenclenchement, et peut également engendrer des risques pour la sécurité personnelle du personnel de maintenance du réseau électrique.
2) Lors du rétablissement de l'alimentation électrique, un courant d'appel sera généré en raison de l'asynchronisme entre les phases de tension, ce qui peut entraîner une chute instantanée de la forme d'onde du réseau.
3) Après l'effet d'îlotage du système de production d'énergie photovoltaïque, si le mode d'alimentation d'origine est un mode d'alimentation monophasé, il est possible de provoquer un problème d'asymétrie de charge triphasée dans le réseau de distribution, et donc de réduire la qualité globale de la consommation d'électricité des autres utilisateurs.
4) Lorsque le réseau de distribution passe en mode îlot et ne dépend que du système de production d'énergie photovoltaïque pour fournir de l'électricité, si la capacité du système d'alimentation électrique est trop faible ou si aucun dispositif de stockage d'énergie n'est installé, cela peut provoquer une instabilité de tension et des problèmes de scintillement dans la charge de l'utilisateur.
Concernant l'impact de l'effet d'île, il existe principalement les solutions suivantes :
1) Optimiser la méthode de détection d'îlots du système de production d'énergie photovoltaïque connecté au réseau, analyser l'influence de la production d'énergie photovoltaïque sur la taille, la direction et la distribution du courant de défaut dans le réseau de distribution, et améliorer la technologie de sélection de la vitesse de coupure de charge et de la division d'îlots en cas de défaut.
2) Améliorer la fiabilité de la technologie de détection d'îlotage, configurer une fonction de protection anti-îlotage rapide et efficace, évaluer avec précision l'état d'îlotage dans des circonstances anormales et interrompre rapidement et efficacement la connexion au réseau.
4. Solution
4.1 Surveillance en ligne de la qualité de l'énergie
Le dispositif de surveillance en ligne de la qualité de l'énergie APView500 utilise une plateforme multicœur haute performance et un système d'exploitation embarqué. Il mesure les indicateurs de qualité de l'énergie conformément aux méthodes de mesure spécifiées dans la norme CEI 61000-4-30 « Technologies d'essai et de mesure – Méthodes de mesure de la qualité de l'énergie ». Il intègre l'analyse harmonique, l'échantillonnage de formes d'onde, la détection des creux, des montées et des interruptions de tension, la surveillance du scintillement, la surveillance des déséquilibres de tension, l'enregistrement d'événements, le contrôle des mesures et d'autres fonctions. Ce dispositif est conforme à la norme CEI 61000-4-30A en matière de normalisation des méthodes de mesure des paramètres d'indice de qualité de l'énergie, de précision de mesure des paramètres d'indice, de synchronisation d'horloge, de fonction de marquage d'événements, etc. Il répond aux exigences de surveillance de la qualité de l'énergie des systèmes d'alimentation de 110 kV et moins.
4.2 Dispositif de protection anti-îlotage
Lorsque le dispositif de protection anti-îlotage détecte des données anormales telles qu'une inversion de puissance, une mutation de fréquence, etc., c'est-à-dire lorsque le phénomène d'îlotage se produit, le dispositif peut coopérer avec le disjoncteur pour couper rapidement le nœud, afin que la station et le réseau électrique soient rapidement séparés et que la sécurité de l'ensemble de la centrale électrique et du personnel de maintenance associé soit assurée.
4.3 Présentation du produit
| Nom | Taper | Image | Fonction |
| Dispositif de surveillance en ligne de la qualité de l'énergie | APView500 |  | 16 canaux de tension/courant alternatif 16 sorties relais passives programmables 22 canaux d'entrée à commutation active 2 interfaces RS485 4 interfaces Ethernet 1 interface de synchronisation GPS, prenant en charge la synchronisation IRIG-B Interface RS232 à 1 canal 1 interface USB |
| Dispositif de protection anti-îlotage | AM5SE-IS |  | Protection contre les surintensités à 3 niveaux, déclenchement basse tension, protection contre les surtensions homopolaires (déclenchement/alarme), protection contre l'inversion de polarité, protection contre les surintensités (réduction de charge basse fréquence/protection haute fréquence), protection contre les surintensités post-accélération, alarme de déconnexion de la boucle de régulation, boucle FC avec fonction de blocage des surintensités, alarme de déconnexion du TC |
| Boîte de bus à boucles multiples | APV-M4 |   | surveillance de la confluence photovoltaïque à 4 boucles |
| APV-M8 | surveillance de la confluence photovoltaïque à 8 boucles | ||
| APV-M10 | surveillance de la confluence photovoltaïque à 10 boucles | ||
| APV-M12 | surveillance de la confluence photovoltaïque à 12 boucles | ||
| APV-M16 | surveillance de la confluence photovoltaïque à 16 boucles | ||
| Dispositif de collecte de confluence photovoltaïque | AGF-T |  | Surveillez le fonctionnement du panneau dans le réseau de photocellules, mesurez le courant en série, vérifiez l'état du parafoudre dans le boîtier de distribution et l'état du disjoncteur CC. |
| Dispositif de surveillance à contre-courant | AGF-AE |  | Tension nominale de la paire de fils N : 120 V Tension nominale entre conducteurs : 208/240 V Réseau pris en charge : L1/L2/N/PE Communication : RS485 |
| Dispositif de détection de contre-courant | ACR10R |  | Mesure intégrée de tous les paramètres de puissance, gestion de la surveillance et de l'évaluation de la puissance, et possibilité d'effectuer les fonctions de « messagerie à distance » et de « commande à distance » du disjoncteur. |
| Dispositif de surveillance de la qualité de l'énergie | APM830 |  | Réseau : triphasé à trois fils, triphasé à quatre fils Fonctions : mesure de la puissance totale, statistiques de puissance, analyse de la qualité de l'énergie, enregistrement des ondes, enregistrement des événements Précision : classe 0,5S |
5. Conclusion
Avec le développement rapide de l'industrie photovoltaïque en Chine, la capacité et la quantité de systèmes photovoltaïques raccordés au réseau augmentent, ce qui a un impact considérable sur la qualité de l'énergie électrique. Il est donc nécessaire d'étudier l'influence de ces systèmes sur la qualité de l'énergie du réseau. Cet article analyse les principes de base et les caractéristiques structurelles de la production d'énergie photovoltaïque, expose les causes des harmoniques, des fluctuations et du scintillement de tension, de l'injection de courant continu et de l'effet d'îlotage dans les systèmes photovoltaïques raccordés au réseau, et propose des mesures concrètes pour améliorer la qualité de l'énergie. Ces travaux constituent une référence précieuse pour l'amélioration future de la qualité de l'énergie photovoltaïque.
Références
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Date de publication : 6 mai 2025