Prévision à court terme de la production d’électricité photovoltaïque

Résumé

Cet article présente une méthode de prévision à court terme de la production photovoltaïque (PV). La méthode proposée s'inscrit dans la catégorie des méthodes physiques et s'appuie sur des prévisions météorologiques numériques. La prévision a été réalisée en utilisant un modèle de source PV dans le logiciel OpenDSS. Les résultats calculés ont été comparés aux mesures réelles prises à partir de micro-installations photovoltaïques opérationnelles. De plus, l'article explore comment les filtres harmoniques actifs (AHF) peuvent être utilisés dans les systèmes photovoltaïques pour améliorer la qualité de l'énergie, réduire la distorsion harmonique et garantir un fonctionnement stable du réseau.

W artykule zaproponowano metodÄ krótkoterminowego prognozowania generacji fotowoltaicznej (PV). Metoda ta należy do group fizycznych metod i opiera siÄ na prognozach pogody numerycznej. Do wyznaczenia prognozy generacji wykorzystano model źródÅa PV w oprogramowaniu OpenDSS. Wyniki obliczeÅ porównano z wynikami pomiarów z funkcjonujÄcych mikroinstalacji PV. Dodatkowo, artykuÅ analizuje zastosowanie aktywnych filtrów harmonicznych (AHF) w systemach PV w celu poprawy jakoÅci energii, redukcji znieksztaÅceÅ harmonicznych i stabilizacji dziaÅania sieci.

Mots clés : source photovoltaïque, prosommateur, prévision de production, méthode physique, prévision météo numérique, filtres harmoniques actifs, OpenDSS

Présentation

La pénétration croissante des sources d’énergie renouvelables, en particulier des micro-installations photovoltaïques prosommateurs, modifie considérablement les conditions de fonctionnement des réseaux électriques. Les gestionnaires de réseaux de distribution sont confrontés à des défis croissants, tels que des surtensions dépassant les limites autorisées, un flux d'énergie inversé du réseau basse tension (BT) vers le réseau moyenne tension (MT), une asymétrie de tension accrue et des éléments de réseau surchargés. Ces problèmes sont plus prononcés dans les zones à forte concentration de micro-installations photovoltaïques. L’intégration de grandes quantités d’énergie solaire dans le réseau BT, sans mesures d’atténuation appropriées, augmente le risque de dépassement des limites normales d’exploitation du réseau. En outre, plus la capacité photovoltaïque est élevée, plus l’impact sur les prosommateurs est important pendant les périodes de pointe de production solaire, entraînant des augmentations de tension et des arrêts d’onduleurs, ce qui affecte négativement la production d’énergie. La figure 1 fournit un exemple visuel de cet événement.

Outre la modernisation du réseau, qui peut s'avérer coûteuse et prendre beaucoup de temps, l'augmentation de la consommation d'énergie locale lors de la production photovoltaïque peut contribuer à atténuer ces problèmes. Cet objectif peut être atteint grâce au stockage de l’énergie et à une planification appropriée de la consommation d’énergie des appareils électroménagers. La prévision de la production photovoltaïque est cruciale pour optimiser ce processus.

Cependant, l’intégration au réseau des systèmes photovoltaïques introduit également un autre défi : la distorsion harmonique. À mesure que les installations photovoltaïques augmentent en taille et en nombre, les niveaux d'harmoniques dans le réseau ont tendance à augmenter, en particulier du fait des onduleurs qui ne fonctionnent pas toujours dans des conditions idéales. La distorsion harmonique peut réduire l’efficacité des systèmes électriques et provoquer des dysfonctionnements des équipements. Dans ce contexte, les filtres harmoniques actifs (AHF) peuvent jouer un rôle essentiel dans l'atténuation des harmoniques introduites par les systèmes photovoltaïques, garantissant ainsi un réseau électrique plus stable et plus efficace.

Filtres d'harmoniques actifs dans l'industrie photovoltaïque

Dans les systèmes photovoltaïques, l'intégration d'onduleurs est essentielle pour convertir l'énergie continue générée par les panneaux solaires en énergie alternative pour la compatibilité avec le réseau. Cependant, les onduleurs peuvent introduire une distorsion harmonique importante, en particulier dans des conditions d'irradiation fluctuantes, comme par temps nuageux. Les harmoniques dans le système électrique peuvent entraîner un transfert d'énergie inefficace, des pertes accrues, une surchauffe des équipements et même des pannes prématurées des composants électriques.

Les filtres harmoniques actifs (AHF) sont une solution efficace pour gérer ces problèmes. Les AHF surveillent en permanence le contenu harmonique du réseau et injectent des courants de compensation pour annuler les harmoniques nocives. Ce faisant, les AHF améliorent non seulement la qualité de l'énergie en réduisant la distorsion harmonique totale (THD), mais contribuent également à optimiser les performances de l'installation photovoltaïque. Les avantages de l’utilisation des AHF dans les systèmes photovoltaïques sont les suivants :

1. Qualité d'alimentation améliorée: Les AHF aident à maintenir la qualité de l'énergie à des niveaux acceptables, garantissant ainsi le fonctionnement efficace du système photovoltaïque, même pendant les périodes de génération d'harmoniques élevées. Ceci est particulièrement important pour les prosommateurs, car une meilleure qualité d’énergie réduit le risque de dommages aux équipements et d’inefficacités du système.
2. Conformité aux normes IEEE 519 : De nombreux réseaux électriques sont régis par des normes telles que IEEE 519, qui fixent des limites en matière de distorsion harmonique. Les AHF permettent aux systèmes photovoltaïques de se conformer à ces normes, garantissant une intégration fluide au réseau et évitant les pénalités en cas de non-conformité.
3. Durée de vie améliorée de l'équipement : en atténuant les harmoniques, les AHF protègent les composants électriques sensibles de la chaleur excessive et de l'usure causée par les formes d'onde déformées. Cela prolonge la durée de vie des équipements tels que les transformateurs et les condensateurs.
4. Efficacité énergétique : La réduction de la distorsion harmonique minimise les pertes d'énergie dans le système, conduisant à une meilleure efficacité globale de l'installation photovoltaïque. Ceci, à son tour, maximise le rendement énergétique des panneaux photovoltaïques et réduit les pertes de transmission.
5. Fonctionnement stable du réseau: En filtrant activement les harmoniques, les AHF aident à prévenir les fluctuations de tension et l'instabilité du réseau, en particulier pendant les périodes de forte production photovoltaïque. Ceci est crucial pour maintenir un approvisionnement électrique stable dans les réseaux comportant une part élevée de sources d’énergie renouvelables.

Modèle d'une source PV

Le modèle de source PV dans OpenDSS est utilisé pour simuler la puissance de sortie en fonction de l'irradiation et de la température. La puissance active et réactive de l'onduleur est calculée en tenant compte de l'efficacité de l'onduleur et des conditions environnementales.

Ce modèle a été validé à l'aide des données d'une installation photovoltaïque de l'Université technologique de Silésie et peut être étendu pour inclure l'intégration AHF pour la compensation des harmoniques en temps réel.

Validation du modèle de source PV

Le modèle de source PV a été testé par rapport à des données réelles et les résultats ont montré une précision d'estimation élevée (Figures 10 et 11). Ce modèle peut également être adapté pour intégrer des systèmes AHF, garantissant que les niveaux d'harmoniques restent dans des limites acceptables, améliorant ainsi la précision des prévisions de performances et la fiabilité du système.

Prévisions météorologiques numériques et prévisions de production photovoltaïque

Les prévisions météorologiques numériques de deux plates-formes ont été utilisées pour générer des prévisions de production photovoltaïque à court terme. Ces prévisions ont été comparées aux mesures réelles pour évaluer leur précision.

Prévisions de production photovoltaïque pour les installations grand public

La même méthode a été appliquée aux installations photovoltaïques prosommateurs situées dans différents endroits, avec des prévisions générées pour chacune. Les résultats démontrent la précision de la méthode de prévision et les améliorations potentielles des performances du système lorsqu'elle est combinée avec les systèmes AHF

Conclusions

Cet article présente une méthode de prévision à court terme de la production photovoltaïque utilisant des prévisions météorologiques numériques, validée par comparaison avec des données réelles. De plus, il a souligné le rôle essentiel des filtres harmoniques actifs dans l'amélioration des performances et de la fiabilité des systèmes photovoltaïques. Les AHF offrent des avantages significatifs en matière de réduction de la distorsion harmonique, de conformité aux normes du réseau et de prolongation de la durée de vie des composants électriques, ce qui en fait un outil indispensable dans l'intégration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques modernes. En garantissant une meilleure qualité d'énergie, les AHF contribuent également à une utilisation plus efficace de l'énergie, permettant aux systèmes photovoltaïques de fonctionner à leur plein potentiel tout en minimisant les perturbations du réseau.