Résumé : La production d'électricité photovoltaïque, nouvelle méthode de production d'électricité non polluante, a considérablement réduit la demande d'électricité traditionnelle. Cependant, en raison de son caractère aléatoire, de sa volatilité et de son caractère intermittent, et compte tenu du grand nombre de composants électroniques de puissance non linéaires qu'elle contient, la production d'électricité photovoltaïque a un impact considérable sur la qualité de l'électricité du réseau par rapport aux méthodes traditionnelles. Cet article analyse les harmoniques, les fluctuations et les scintillements de tension, l'injection de courant continu, l'effet d'îlotage et d'autres problèmes causés par la production d'électricité photovoltaïque connectée au réseau, et étudie et discute des mesures envisageables pour améliorer la qualité de l'électricité.
Introduction
Avec l'accélération de l'internationalisation et le développement rapide de l'économie mondiale, la consommation d'énergie a augmenté, l'épuisement progressif des ressources énergétiques traditionnelles et l'aggravation des problèmes environnementaux. L'énergie solaire, énergie renouvelable propre et non polluante, fait l'objet d'une attention particulière. Ces dernières années, la capacité installée de production d'électricité photovoltaïque a continué de croître, tout comme la production d'électricité connectée au réseau. Cependant, la faible capacité installée, la dispersion des sites et les fortes fluctuations de la puissance de sortie ont eu un impact considérable sur la qualité de l'électricité du réseau. Il est donc crucial d'étudier l'influence de la production d'électricité photovoltaïque sur la qualité de l'électricité afin de promouvoir la production d'électricité et la sécurité et la stabilité du réseau électrique.
1. Principe de base de la production d'énergie photovoltaïque
La production d'énergie photovoltaïque utilise l'effet photovoltaïque présent à la surface du semi-conducteur pour envoyer un courant continu à travers la lumière aux deux extrémités du matériau semi-conducteur. Lorsque le soleil éclaire le nœud PN du semi-conducteur, une nouvelle paire électron-trou se forme. Après que le photon a excité l'électron de la liaison covalente, l'électron se déplace vers la région N et le trou vers la région P, créant une différence de potentiel entre les deux extrémités du semi-conducteur. Une fois le circuit connecté aux deux extrémités de la jonction PN, un courant se forme, circulant de la zone P vers la zone N via le circuit externe, et l'énergie électrique est délivrée à la charge.
2. Structure et classification de la production d'énergie photovoltaïque connectée au réseau
Un système de production d'électricité photovoltaïque raccordé au réseau est principalement composé d'un panneau solaire (module), d'un contrôleur MPPT (High Power Tracking) et d'un onduleur CC-CA, ainsi que de plusieurs composants. L'onduleur utilise un transistor bipolaire à grille isolée (IG-BT) comme élément de commutation. La tension continue de sortie de la cellule solaire est augmentée par le convertisseur CC-CC, qui convertit ensuite ce courant continu en courant alternatif de même amplitude, fréquence et phase.voltmètre sur rail DINdu réseau électrique via un onduleur CC-CA, afin de réaliser l'intégration au réseau électrique ou d'alimenter la charge CA. La structure du système de production d'énergie photovoltaïque est illustrée à la figure 1.
Figure 1 Structure du système de production d'énergie photovoltaïque connecté au réseau
Selon le mode de fonctionnement connecté au réseau, les systèmes de production d'électricité photovoltaïque peuvent être divisés en trois types : à contre-courant, sans contre-courant et à commutation. Directement connecté au réseau, le système de production d'électricité photovoltaïque ne nécessite pas de batteries de stockage, économise l'espace au sol, réduit considérablement les coûts de configuration et compense le déficit de puissance de la charge par le réseau. Par conséquent, le système de production d'électricité photovoltaïque connecté au réseau constitue la principale voie de développement de la production d'électricité solaire et constitue actuellement une nouvelle voie de production d'électricité potentielle.
3. L'influence de la production d'énergie photovoltaïque connectée au réseau sur la qualité de l'énergie du réseau
La production d'électricité photovoltaïque, en tant que nouvelle source d'énergie, est soumise à des conditions externes telles que l'aléa, la volatilité et les variations intermittentes, qui sont les principaux facteurs de son impact sur le réseau. Parmi ces facteurs, l'onduleur CC-CA est l'un des principaux équipements des systèmes de production d'électricité photovoltaïque raccordés au réseau. Sa qualité détermine si la qualité de l'électricité produite répond aux exigences du réseau. Lors du raccordement au réseau, des problèmes tels que les harmoniques, les fluctuations et les scintillements de tension, l'injection de courant continu et l'effet d'îlotage peuvent survenir, ce qui peut réduire la qualité de l'électricité et avoir des conséquences néfastes sur le réseau. Dans les cas les plus graves, cela peut perturber le fonctionnement sûr et stable du système d'alimentation électrique et des équipements de production d'électricité photovoltaïque.
3.1 Influence harmonique
La production d'électricité photovoltaïque consiste à convertir l'énergie solaire en courant continu grâce à des modules photovoltaïques, puis à convertir le courant continu en courant alternatif grâce à un onduleur connecté au réseau. Dans un système de production d'électricité photovoltaïque, l'onduleur est le principal équipement générateur d'harmoniques. La multiplication des applications de composants électroniques de puissance dans les onduleurs connectés au réseau a amélioré le traitement intelligent de l'information, mais elle augmente également le nombre de charges non linéaires, ce qui entraîne une distorsion de la forme d'onde et un grand nombre d'harmoniques. Le retard de commutation de l'onduleur affecte également la performance dynamique globale du système électrique, ce qui se traduit par une faible plage d'harmoniques. En cas de variations importantes des conditions météorologiques (irradiance, température), la plage de fluctuation des harmoniques s'accroît également. Bien que les harmoniques de courant de sortie d'un seul onduleur connecté au réseau soient faibles, celles de plusieurs onduleurs connectés au réseau se superposent après leur connexion en parallèle, ce qui entraîne des harmoniques de courant de sortie dépassant la norme. De plus, la connexion en parallèle des onduleurs peut facilement produire une résonance parallèle, ce qui entraîne un phénomène de résonance de couplage, entraînant une expansion du courant harmonique spécifique et un problème de surconcentration harmonique du courant connecté au réseau.
Afin de résoudre le problème de qualité de l'énergie après un accès photovoltaïque, des méthodes efficaces de suppression des harmoniques sont proposées :
1) À partir de la source de génération d'harmoniques, la source d'harmoniques est réformée pour réduire l'injection d'harmoniques.
2) Dispositifs de filtres actifs ou passifs pour absorber un nombre spécifique de courants harmoniques.
3) Installer des dispositifs de compensation d’harmoniques supplémentaires.
3.2 Fluctuations de tension et scintillements
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'électricité photovoltaïque, ces variations constituent le principal facteur de fluctuation de tension et de scintillement au point d'accès. Le point de puissance maximale des panneaux photovoltaïques, composants clés de ce 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 de fortes variations de la puissance de sortie, ce qui entraîne des variations fréquentes de la puissance de charge dans une certaine plage, et donc des fluctuations de tension et des scintillements au niveau de la charge de 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 bus du poste.
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 changement de puissance réactive et répondant aux exigences limites des fluctuations de tension.
3.3 Problème d'injection de courant continu
Un autre problème majeur à résoudre dans les systèmes de production d'électricité 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 du réseau. Les normes IEEEStd929-2000 et IEEEStd547-2000 stipulent clairement que la composante de courant continu injectée dans le réseau par le dispositif de production d'électricité raccordé au réseau ne peut excéder 0,5 % de son courant nominal. Les principales raisons justifiant 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 d'entraînement ; 2) Dérive du zéro et non-linéarité des dispositifs de mesure dans le contrôleur de haute puissance ; 3) Asymétrie de l'impédance de ligne de chaque dispositif de commutation, influence des paramètres parasites et des champs électromagnétiques parasites, etc.
À l'heure actuelle, les principales méthodes pour supprimer l'injection CC comprennent : 1) la méthode de compensation de détection ; 2) l'optimisation et la conception de la structure connectée au réseau de l'onduleur ; 3) la séparation directe du condensateur ; 4) la méthode de capacité virtuelle ; 5) le transformateur d'isolement de l'appareil.
3.4 L'effet d'île
L'effet d'îlotage se produit lorsque l'alimentation électrique du réseau est interrompue par des facteurs humains ou naturels, mais que chaque système de production photovoltaïque raccordé au réseau ne détecte pas à temps la panne, de sorte que le système et la charge connectée continuent de fonctionner indépendamment. Avec l'augmentation continue du taux de pénétration de la production photovoltaïque raccordée au réseau, la probabilité d'un effet d'îlotage augmente progressivement. La formation de cet effet a des effets négatifs sur la qualité de l'énergie de l'ensemble du réseau de distribution, notamment :
1) À l'endroit où l'effet d'îlot se produit, la tension et la fréquence fluctuent considérablement, 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 l'équipement électrique du système et provoquer des défauts de réenclenchement, et peut également entraîner des risques pour la sécurité personnelle du personnel de maintenance du réseau électrique.
2) Lors du processus de récupération 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'îlot du système de production d'énergie photovoltaïque, si le mode d'alimentation électrique d'origine est un mode d'alimentation monophasé, il est possible de provoquer le problème d'asymétrie de charge triphasée dans le réseau de distribution, puis de réduire la qualité globale de la consommation d'électricité des autres utilisateurs.
4) Lorsque le réseau de distribution passe en mode îlot et s'appuie uniquement sur le système de production d'énergie photovoltaïque pour fournir de l'électricité, si la capacité du système d'alimentation électrique est trop petite 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.
Pour l’impact de l’effet d’île, il existe principalement les solutions suivantes :
1) Optimiser la méthode de détection d'îlot 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'îlot dans des conditions de défaut.
2) Améliorer la fiabilité de la technologie de détection d'îlot, configurer une fonction de protection anti-îlot rapide et efficace, juger avec précision l'état de l'îlot 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 adopte une plateforme multicœur hautes performances et un système d'exploitation embarqué. Il mesure les indicateurs de qualité de l'énergie selon les méthodes de mesure spécifiées dans la norme CEI 61000-4-30 « Technologies de test et de mesure – Méthodes de mesure de la qualité de l'énergie ». Il intègre l'analyse des harmoniques, l'échantillonnage des formes d'onde, la surveillance des creux/montées/interruptions de tension, la surveillance du scintillement, la surveillance des déséquilibres de tension, l'enregistrement des événements et le contrôle des mesures, entre autres fonctions. Il est conforme à la norme CEI 61000-4-30A pour la normalisation des méthodes de mesure des paramètres d'indice de qualité de l'énergie, la précision de mesure des paramètres d'indice, la synchronisation d'horloge, la fonction de marquage des événements, etc., et peut répondre aux exigences de surveillance de la qualité de l'énergie des réseaux d'alimentation de 110 kV et moins.
4.2 Dispositif de protection anti-îlot
Lorsque le dispositif de protection anti-îlot détecte qu'il existe des données anormales telles qu'une puissance inverse, une mutation de fréquence, etc., c'est-à-dire lorsque le phénomène d'îlot se produit, le dispositif peut coopérer avec le disjoncteur pour couper rapidement le nœud, de sorte que la station et le côté réseau électrique soient rapidement séparés et assurent la sécurité de la vie de l'ensemble de la centrale électrique et du personnel de maintenance associé.
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 de commutation actifs 2 interfaces RS485 4 interfaces Ethernet 1 interface de synchronisation GPS, prenant en charge la synchronisation IRIG-B Interface RS232 1 canal 1 interface USB |
| Dispositif de protection anti-îlot | AM5SE-IS |  | Protection contre les surintensités à 3 niveaux, déclenchement basse tension, protection contre les surtensions homopolaires (déclenchement/alarme), protection contre l'inversion de puissance, protection de fréquence (réduction de charge basse fréquence/protection haute fréquence), protection contre les surintensités post-accélération, alarme de déconnexion de la boucle de contrôle, boucle FC avec fonction de blocage de surintensité, alarme de déconnexion du TC |
| Coffret de bus multi-boucles | APV-M4 |   | Surveillance de la confluence photovoltaïque à 4 boucles |
| APV-M8 | Surveillance de confluence photovoltaïque à 8 boucles | ||
| APV-M10 | Surveillance de confluence photovoltaïque à 10 boucles | ||
| APV-M12 | Surveillance de confluence photovoltaïque à 12 boucles | ||
| APV-M16 | Surveillance de confluence photovoltaïque à 16 boucles | ||
| Dispositif de collecte photovoltaïque à confluence | AGF-T |  | Surveiller l'état de fonctionnement du panneau dans le réseau de cellules photoélectriques, mesurer le courant série, collecter l'état du parafoudre dans le boîtier de bus et collecter l'état du disjoncteur CC |
| Dispositif de surveillance à contre-courant | AGF-AE |  | Tension nominale paire de fils N : 120 V Tension nominale fil à fil : 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 et gestion de la surveillance et de l'évaluation de la puissance, et peut réaliser la fonction « message à distance » et « contrôle à distance » du disjoncteur |
| Dispositif de surveillance de la qualité de l'énergie | APM830 |  | Réseau : triphasé trois fils, triphasé quatre fils Fonctions : mesure de pleine puissance, statistiques de puissance, analyse de la qualité de l'énergie, fonction d'enregistrement des ondes, fonction d'enregistrement des événements Précision : classe 0,5S |
5. Conclusion
Avec le développement rapide du secteur chinois de la production d'électricité photovoltaïque, la capacité installée et le nombre de panneaux photovoltaïques raccordés au réseau augmentent, ce qui a un impact considérable sur la qualité de l'électricité. Il est donc nécessaire d'étudier l'influence de la production d'électricité photovoltaïque raccordée au réseau sur la qualité de l'électricité. Cet article analyse les principes fondamentaux et les caractéristiques structurelles de la production d'électricité photovoltaïque, expose les causes des harmoniques, des fluctuations de tension et du flicker, de l'injection de courant continu et de l'effet d'îlotage dans la production d'électricité photovoltaïque raccordée au réseau, et propose des mesures réalisables pour améliorer la qualité de l'électricité, ce qui constitue une référence importante pour l'amélioration de la qualité de l'électricité produite par la production d'électricité photovoltaïque.
Références
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Date de publication : 6 mai 2025