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Conception de la commande et analyse de stabilité d'un onduleur photovoltaïque connecté au réseau de distribution

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Bruyant-Rozoy, Colin (2019). Conception de la commande et analyse de stabilité d'un onduleur photovoltaïque connecté au réseau de distribution. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Le développement récent des énergies renouvelables a conduit à l’émergence de sources d’énergies décentralisées (DERs). Ces sources, de faible puissance et généralement installées à un niveau local, peuvent être utilisées en support du réseau électrique de distribution, afin de répondre rapidement aux pics de puissance. L’usage de convertisseurs de puissance est requis pour fournir une énergie exploitable, ainsi que pour gérer ses caractéristiques. La connexion des DERs au réseau amène cependant des problématiques nouvelles, principalement en ce qui a trait à la stabilité et à la qualité de l’énergie.

La recherche présentée traite de la connexion d’un convertisseur DC/AC (onduleur) monophasé au réseau, permettant à des panneaux photovoltaïques d’y injecter la puissance produite. Plus précisément, il s’agira d’établir la loi de commande du convertisseur en s’assurant de sa stabilité, de la robustesse du contrôle, ainsi que de la qualité de l’énergie produite. Les performances du système conçu devront alors se conformer aux normes et standards en vigueur. Le fait que le convertisseur soit à haute densité (faibles éléments passifs) et que sa fréquence de commutation est très élevé complexifie la conception de sa commande.

La modélisation du système sera établie pour pouvoir procéder à une analyse fréquentielle. Puis, la synchronisation du convertisseur au réseau sera assurée par une PLL. Enfin, la stratégie de régulation assurant stabilité et robustesse sera présentée. Une attention particulière sera portée au dimensionnement des éléments de la commande, où nous chercherons à obtenir des valeurs optimales. Pour cela, une nouvelle méthode de dimensionnement est proposée, avec laquelle il est possible pour un utilisateur de fixer de nouvelles valeurs rapidement, et de connaitre dans la foulée leurs effets de manière quantitative sur le comportement du système. Celui-ci sera testé et validé en simulation. Les résultats montrent que son comportement est conforme au standard IEEE-1547 prédominant en Amérique du Nord. Le convertisseur est capable d’opérer dans des conditions anormales de tension et de fréquence, sa réponse en condition de faute est rapide, et le régime permanent ne souffre d’aucune erreur statique. Finalement, nous étudierons la compensation harmonique du système dans le cas d’un réseau pollué, compensation qui sera assurée pour un dimensionnement spécifique.

Titre traduit

Design of the control and stability analysis of a grid-tied solar inverter

Résumé traduit

In the past decades, recent growth of renewable energy sources led to the emergence of Ditributed Energy Ressources (DERs). These low power sources are generally installed at a local level, and can be used to provide quick response to power peaks of demand in the distribution grid. The use of power converters is required to exploit power from DERs, as well as to manage its characteristics. Their connection to the grid, however, brings new issues, mainly in regards of stability and of the quality of the energy provided.

The research presented here deals with the connection of a single-phase DC/AC inverter to the grid, allowing photovoltaic panels to inject the generated power. More precisely, we will focus on establishing the control law of the inverter by ensuring its stability, control robustness, and quality of the energy produced. Performances of the designed system must then comply with actuals standards related to these issues. We will consider here a high density converter with low passive elements, and whose its switching frequency is very high, that complicates the design of its control.

Firstly, the modeling of the system will be established to be able to carry out a frequency analysis. Then, synchronization of the inverter to the grid will be ensured by a PLL, and finally, the regulation strategy ensuring stability and robustness will be presented. Particular attention will be paid to the dimensioning of control elements, where we will seek to obtain optimal values. To reach this goal, a new sizing method is proposed, which allows a user to quickly determine a new set of values, from which the quantitative behavior of the system is known. That method will be tested and validated in simulation. The results show that its behavior is consistent with the IEEE-1547 standard prevailing in North America. With the proposed dimensioning, the inverter is then able to operate in abnormal conditions of voltage and frequency, its fault response is fast, and no static errors are observed in steady state. Finally, the harmonic compensation the system will provide in the case of a polluted grid voltage will be treated, and good results will be obtained for a specific dimensioning.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie électrique". Comprend des références bibliographiques (pages 221-228).
Mots-clés libres: onduleur monophasé, synchronisation au réseau, dimensionnement optimal, rejection harmonique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Fortin Blanchette, Handy
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie électrique
Date de dépôt: 18 nov. 2019 21:22
Dernière modification: 18 nov. 2019 21:22
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2399

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