Architectures de puissance et commandes associées pour la gestion des ombrages dans les installations photovoltaïques. Power Architectures and Control Systems Associated to the Management of Shadows in Photovoltaic Plants.

par Luiz Fernando Lavado Villa

Thèse de doctorat en Sciences et technologie industrielles

Sous la direction de Bertrand Raison et de Jean-Christophe Crebier.

Le président du jury était Bruno Estibals.

Le jury était composé de Ambroise Schellmanns.

Les rapporteurs étaient Felix Alberto Farret, Bruno Francois.


  • Résumé

    L'énergie photovoltaïque est à nos jours l'une des sources intermittentes les plus développée. Plusieurs années de recherche confèrent une importante maturité à la fois aux modules et aux systèmes de extraction et traitement de son électricité. Cependant, il lui reste encore un important obstacle à franchir avant son utilisation à large échelle : la présence des ombres. Alors que plusieurs solutions ont été déjà proposées pour ce problème, la recherche sur l'ombre en tel que phénomène complexe reste embryonnaire. Cette thèse a pour but de combler ce besoin à la fois en étudiant la présence d l'ombre et en y proposant une nouvelle réponse. L'étude de l'ombre comprend la proposition d'une théorie sur l'intermittence qui prend en compte des aspect à la fois électriques et optiques. A travers de cette théorie, une relecture de la littérature est aussi proposée et donne lieu à une classification des solutions existantes en séries ou parallèles. Les solutions séries utilisent plusieurs structures d'électronique de puissance pour extraire l'énergie d'un nombre plus restreint des cellules photovoltaïques et par conséquent y confinent l'impact de l'ombre. En contre partie, les solutions parallèles utilisent des structures spéciales pour redistribuer le courant parmi les cellules ombrées et illuminées, ce qui amène à l'effacement de l'ombre. La nouvelle réponse à l'ombre proposée dans ce travail s'agit d'une structure parallèle à forte potentiel d'intégration monolithique. Inspirée de son équivalent pour les batteries, cette nouvelle topologie est applicable à plusieurs échelles mais sa commande reste un aspect à maîtriser. Son concept de base est validé au niveau d'un seul module photovoltaïque par la création d'un prototype et une validation expérimentale. Sa commande y est ensuite développée, testée et validée. Le système est capable de détecter la présence de l'ombre, choisir la meilleure stratégie pour la mitiger et l'implémenter en toute autonomie. Le résultat final est une augmentation de la puissance de sortie d'environ 40% dans certains cas.

  • Titre traduit

    Applications in power electronics and control for shadow management in photovoltaic plants


  • Résumé

    Photovoltaic energy rates among the most mature renewable sources currently available in the market. However, its growing use in urban environment has met with an important obstacle: shadows. Their study present a two-fold challenge: understanding what they are and how they can be mitigated. While many authors have proposed different solutions for this problem, very few have tried to understand the shadow in its complexity. This thesis seeks, at the same time, a comprehensive view on the shadow itself while proposing a new solution to mitigate it. The comprehensive view of the shadow is proposed through an intermittency theory, where its optical properties and electrical consequences are taken into account. This theory provides the elements to review the current literature into a new perspective. The available solutions are, then, divided into two families: series and parallel. Series solutions employ several structures, each extracting the power of a reduced number of photovoltaic cells. As a consequence the impact of the shadow is restricted. Parallel solutions use few structures to redistribute the current between shaded and unshaded photovoltaic cells, thus sharing the impact of the shadow. The new solution proposed to mitigate the shadow is a parallel system called PV Equalizer. Inspired from its battery equivalent, it has a different topology with a high integration potential, easily scalable but seemingly difficult to control. To prove its concept, a study is conducted to determine its functions. It is found to be capable of not only mitigating but also detecting the shadow. These functions are characterized and their results used to conceive a control algorithm. Finally, this algorithm is tested and validated in a prototype under real operating conditions. The system detected the presence of the shadow, chose the best way to mitigate it and raised the power output by roughly 40 %.


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