Dimensionnement et simulation de l’augmentation de puissance d’une centrale PV raccordée au réseau

Ce mémoire traite de l’augmentation de puissance d’une centrale photovoltaïque connectée au réseau en Algérie, en utilisant le logiciel PVSyst pour des simulations de dimensionnement avant et après l’extension.

وزارة التعليم العالي والبحث العلمي
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

École Superieure De Technologies Industrielles
– Annaba –
المدرسة العليا للتكنولوجيات الصناعيــــة
-عنابة –

Departement du Second Cycle
FILIÈRE
Electrotechnique

Spécialité
Production Electrique et Energie Renouvelables

MEMOIRE
Présenté en vue de l’obtention du diplôme d’Ingénieur d’État
Dimensionnement et simulation de l’augmentation de puissance d’une centrale PV raccordée au réseau

Par
TALEB Abdelrahim
HAOUCHINE Lokmane

Sous la direction de/ Grade / Établissement d’affiliation
REKIK Badri MCB ESTI Annaba
ABDELBAKI Ali Ingénieur d’exploitation (Encadreur de stage) SKTM Sonelgaz

Devant le jury
Président :
DEKHANE Azzedine MCA ESTI Annaba

Examinateurs :
TEGANI Ilyes MCB ESTI Annaba
CHIHEB Sofiane MCB ESTI Annaba

Année / 2021

Remerciements

Avant tout, nous remercions ALLAH, le tout-puissant, de nous avoir donné le courage et la volonté pour accomplir ce travail de recherche.

Nous voulons témoigner tout particulièrement notre reconnaissance à Monsieur REKIK Badri, Maitre de conférences à l’Ecole Supérieur de Technologies Industrielles, qui a dirigé ce projet. Nous lui exprimons nos vifs remerciements pour l’aide constante durant l’élaboration de ce travail. Nous le remercions également pour ses conseils, ses compétences scientifiques et sa qualité humaine.

Nous tenons à souligner l’estime que nous portons à Monsieur ABDELBAKI Ali, ingénieur exploitation à la centrale photovoltaïque de Oued El Kebrit SOUK AHRAS, pour son soutien et son encadrement durant le stage fin d’études qui nous ont été bénéfiques pour mener à bien ce travail.

Nos remercîments et gratitude s’entendent également à tous ceux qui de près ou de loin ont participé à l’élaboration de ce travail.

Table des matières

Table des figures
Table des tableaux
Liste des abréviations
INTRODUCTION GENERALE
CHAPITRE I : ETAT DE L’ART DES SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUE
I.1. Introduction
I.2. Energie et Conversion Photovoltaïque
I.2.1. Rayonnement Solaire
I.2.1.1. Rayonnement solaire extraterrestre
I.2.1.2. Rayonnement solaire terrestre
I.2.2. Gisement et Energie Solaire en Chiffres
I.2.2.1. Au niveau mondial
I.2.2.2. En Algérie
I.2.3. Semi-Conducteurs
I.2.3.1. Matériaux semi-conducteurs
I.2.3.2. Bandes d’énergie dans les semi-conducteurs
I.2.4. Jonction PN
I.2.4.1. Type P
I.2.4.2. Type N
I.2.4.3. La jonction P-N
I.2.4.4. L’effet photoélectrique
I.3. Le Panneau Photovoltaïque
I.3.1. La Cellule Solaire
I.3.1.1. Modèle mathématique d’une cellule solaire
I.3.1.2. Interconnexions des cellules
I.3.1.3. Connexions en série et en parallèle des cellules
I.3.1.4. Diode By-Pass
I.3.2. Technologies des Panneaux Photovoltaïques
I.3.2.1. Cellules solaires de première génération
I.3.2.2. Cellules solaires de deuxième génération
I.3.2.3. Cellules solaires de troisième génération
I.3.3. Caractéristiques d’un Générateur Photovoltaïque
I.3.3.1. Tension du circuit ouvert Voc
I.3.3.2. Courant de court-circuit Icc
I.3.3.3. Point de puissance maximale MPP
I.3.3.4. Puissance-crête et rendement
I.3.4. Influence des paramètres externes
I.3.4.1. La Température
I.3.4.2. L’Eclairement
I.3.5. Structure Générale
I.4. Les Systèmes Photovoltaïques
I.4.1. Les Types des Systèmes Photovoltaïques
I.4.1.1. Système autonome
I.4.1.2. Système hybride
I.4.1.3. Système connecté au réseau
I.4.2. Equipements d’une Centrale Photovoltaïque
I.4.2.1. Le Panneau photovoltaïque
I.4.2.2. Le Convertisseur DC/DC (Hacheur)
I.4.2.3. Le Convertisseur DC/AC (Onduleur)
I.4.2.4. Le Transformateur de puissance
I.4.3. Performance des Systèmes Photovoltaïque
I.4.3.1. Paramètres de performance de l’emplacement
I.4.3.2. Paramètres de performance des composants
I.4.4. Raccordement des Centrales PV avec le Réseau Electrique
I.5. Conclusion
CHAPITRE II : TRANSITION ENERGETIQUE en Algérie « Etude de cas centrale PV oued Kebrit »
II.1. Introduction
II.2. Historique de l’énergie renouvelable en Algérie
II.3. Programme National de Développement des Energies Renouvelables et de L’Efficacité Energétique (PNEREE)
II.3.1. Contenu du Programme
II.2.2. Energies Renouvelables dans Le PNEREE
II.2.2.1. Version 2011
II.2.2.2. Version réactualisée en 2015 du PNEREE
II.2.3. Programme National de Transition Energétique 2020
II.2.3.1. Vision et objectifs
II.2.3.2. Organes publics dans la mise en œuvre du programme de la transition
II.2.4. Présentation de La Société SKTM
II.2.4.1. Objectifs et missions
II.2.4.2. Organigramme et réalisations
II.3. Etude de Cas de la Centrale OUED EL KEBRIT
II.3.1. Localisation Géographique du Site
II.3.2. Présentation Générale de la Centrale
II.3.3. Organigramme de la Centrale
II.3.4. Cout de la Réalisation
II.5. Conception de la Centrale
II.4.1. Le Champ Photovoltaïque
II.4.1.1. Structure porteuse / de fixation
II.4.1.2. Panneaux photovoltaïques
II.4.1.3. Boites de raccordements
II.4.2. Poste de Conversion DC/AC et Transformation
II.4.2.1. L’onduleur solaire
II.4.2.2. Le transformateur et la cellule de bouclage
II.4.3. Poste d’Evacuation
II.4.3.1. Cellules
II.4.3.2. Transformateur de service auxiliaires (TSA)
II.4.4. Systèmes Auxiliaires
II.4.4.1. Station météo
II.4.4.2. Alimentation sans interruption et de secours
II.4.5. Salle de Contrôle-Commande
II.4.4.1. Equipements de la salle
II.4.4.2. Logiciel de monitoring et de commande
II.5. Conclusion
CHAPITRE III : ETUDE D’AUGMENTATION DE PUISSANCE DE LA CENTRALE OKP
III.1. Introduction
III.2. Dimensionnement D’une Centrale Photovoltaïque
III.2.1. Détermination d’une configuration ‘champ PV/onduleur’
III.2.1.1. Première contrainte (compatibilité de puissance)
III.2.1.2. Deuxième contrainte (compatibilité en tension et en courant)
III.2.1.3. Troisième contrainte
III.2.2. Calcul d’ombrage
III.2.3. Estimation de la production énergétique d’une centrale photovoltaïque
III.2.3.1. Détermination du rendement énergétique d’une centrale PV
III.3. Présentation des logiciels de dimensionnement
III.3.1. Le Logiciel RETScreen
III.3.2. Le Logiciel HOMER Pro
III.3.3. Le Logiciel PVSyst
III.4. Projet Existant de la Centrale PV Oued El Kebrit 15 MWc
III.4.1. Conception du Projet
III.4.1.1. Présentation technique
III.4.1.2. La ligne d’injection 30KV de OKP vers poste El Aouinet
III.4.1.3. Schéma de bouclage
III.4.2. Simulation de la Centrale OKP Existante avec PVSyst
III.4.2.1. Hypothèses de simulation
III.4.2.2. Création et conception du projet avec PVSyst
III.4.2.3. Introduction des données du projet existant
III.4.3. Vérification théorique des contraintes électrique de dimensionnement
III.4.3.1. La première contrainte
III.4.3.2. La deuxième contrainte
III.4.4. Validation des résultats de simulation par rapport au cas réel existant
III.4.5. Cout de réalisation du projet
III.4.6. Contrainte technique et économique de la centrale
III.5. Etude d’Extension de la Centrale Oued el Kebrit à 24 MWc
III.5.1. Conception du Projet d’Extension
III.5.1.1. Choix du terrain accueillant l’extension
III.5.1.2. La ligne d’injection
III.5.1.3. Avantage de l’extension
III.5.2. Présentation des variantes
III.5.2.1. Variante classique (matériels avec ancienne technologie 2014)
III.5.2.2. Variante innovante (matériels avec une nouvelle technologie)
III.5.2.3. Analyse des résultats
III.5.3. Cout de réalisation
III.6. Discussion Des Résultats
III.7. Conclusion
CONCLUSION GENERALE
BIBLIOGRAPHIE
ANNEXES

LISTE DES FIGURES

Figure I.1 : Spectre du rayonnement solaire
Figure I.2 : Composantes du rayonnement solaire au niveau du sol
Figure I.3 : Potentiel d’énergie photovoltaïque dans le monde
Figure I.4 : Puissance installée dans le monde (2010-2020)
Figure I.5 : Potentiel d’énergie photovoltaïque en Algérie
Figure I.6 : Puissance installée en Algérie (2010-2020)
Figure I.7 : Dopage P d’un semi-conducteur de Si avec du bore (B)
Figure I.8 : Dopage N du semi-conducteur Si avec du phosphore (P)
Figure I.9 : Schéma équivalent d’une cellule idéale
Figure I.10 : Schéma équivalent d’une cellule réelle
Figure I.11 : Cellules solaires
Figure I.12 : Croquis simplifié d’un module solaire avec des cellules à (2BB)
Figure I.13 : Le rapport entre le courant et la tension d’une seule cellule solaire et celui de trois cellules solaires connectées en série et en parallèle
Figure I.14 : Diode By-Pass
Figure I.15 : Cellule concentratrice
Figure I.16 : Courbe courant-tension d’un photogénérateur
Figure I.17 : Block de simulation sous environnement MATLAB
Figure I.18 : Influence de la température sur les caractéristiques I-V et P-V
Figure I.19 : Influence de l’éclairement sur les caractéristiques I-V et P-V
Figure I.20 : Structure sandwich typique d’un module solaire PV
Figure I.21 : Schéma d’un système PV autonome
Figure I.22 : Schéma d’un système PV hybride
Figure I.23 : Schéma d’un système PV connecté au réseau
Figure I.24 : Onduleur à demi pont
Figure I.25 : Onduleur à pont complet en H
Figure I.26 : Onduleur HBDC
Figure I.27 : Types de filtres harmoniques
Figure II.1 : Organigramme simplifié de la société SKTM
Figure II.2 : Plan de Situation de la centrale OKP
Figure II.3 : Organigramme de la centrale OKP
Figure II.4 : Structure porteuse
Figure II.5 : Caractéristiques du panneau utilisé
Figure II.6 : La matrice
Figure II.7 : Boite de raccordement Niv1
Figure II.8 : Boite de raccordement Niv2
Figure II.9 : Onduleur TBEA utilisé dans la centrale OKP
Figure II.10 : Transformateur SUNTEN utilisé dans la centrale OKP
Figure II.11 : Cellule de boucle
Figure II.12 : Cellules du poste d’évacuation
Figure II.13 : Caractéristiques du TSA
Figure II.14 : Transformateur de services auxiliaires
Figure II.15 : Station de mesure météorologique
Figure II.16 : Equipements de mesures
Figure II.17 : Batteries de secours
Figure II.18 : Redresseur-Chargeur
Figure II.19 : Groupe électrogène
Figure II.20 : Salle de contrôle-commande
Figure II.21 : Interface du logiciel NC2000
Figure III.1 : Calcul de la surface de l’ombrage
Figure III.2 : Méthodologie de dimensionnement et conception d’une installation PV raccordée au réseau
Figure III.3 : Logo RETScreen
Figure III.4 : Logo Homer Pro
Figure III.5 : Logo PVSyst
Figure III.6 : Photo prise par satellite pour la centrale OKP
Figure III.7 : Schéma unifilaire centrale PV Souk-Ahras
Figure III.8 : Maquette présente la division des sous champs centrale OKP
Figure III.9 : La page principale du PVSyst
Figure III.10 : Tableau de bord du projet existant OKP 15MWc
Figure III.11 : Tableau de bord du projet avant la définition du système et l’orientation
Figure III.12 : Orientation des panneaux PV dans la centrale OKP
Figure III.13 : Définition du module PV YINGLI (YL250P-29b)
Figure III.14 : Définition de l’onduleur (TBEA TC1250KS)
Figure III.15 : Définition du Système réseau
Figure III.16 : Lancement de la simulation
Figure III.17 : La barre de progression et la console de sauvegarde
Figure III.18 : Fenêtre après la simulation de la centrale
Figure III.19 : Première page du rapport
Figure III.20 : Résumé des résultats
Figure III.21 : Productions normalisées (Par KWc installé)
Figure III.22 : Diagramme de l’indice de performance de la centrale chaque mois
Figure III.23 : Diagramme des pertes détaillé
Figure III.24 : Diagramme d’entrée/sortie journalier
Figure III.25 : Terrain choisi pour l’extension
Figure III.26 : Tableau de bord du système avec la conception existante
Figure III.27 : Rapport du PVSyst pour la variante classique
Figure III.28 : Résumé des résultats pour la variante classique
Figure III.29 : Schéma unifilaire centrale PV Souk-Ahras (Extension Variante classique)
Figure III.30 : Panneau utilisé dans la variante innovante (JKM 350PP-72-DV)
Figure III.31 : Onduleur utilisé dans la variante innovante (SUNGROW SG1250)
Figure III.32 : Tableau de bord du système par la simulation de la variante innovante
Figure III.33 : Schéma unifilaire centrale PV Souk-Ahras (Extension Variante innovante)
Figure III.34 : Première page du rapport
Figure III.35 : Résumé des résultats
Figure III.36 : Diagramme des pertes par flèche
Figure III.37 : Diagramme d’entrée/sortie quotidien
Figure III.38 : Comparaison entre les résultats des variantes

Liste des Tableaux

Tableau I.1 : Partie du tableau périodique des éléments liés aux semi-conducteurs utilisés dans le domaine photovoltaïque
Tableau II.1 : Planning de réalisation du programme (Version 2011)
Tableau II.2 : Plan d’exécution du PNEREE révisé en 2015 (en MW)
Tableau II.3 : Parc EnR SKTM (Juin 2020)
Tableau II.4 : Projets En cours de réalisation
Tableau II.5 : Présentation générale de la centrale OKP
Tableau II.6 : Energie produite de la centrale OKP (2017-2020)
Tableau II.7 : Caractéristiques de la boîte de raccordement Niv1
Tableau II.8 : Caractéristiques de la boîte de raccordement Niv2
Tableau II.9 : Caractéristiques de l’onduleur TBEA
Tableau II.10 : Caractéristiques de transformateur SUNTEN
Tableau II.11 : Caractéristiques des batteries de secours
Tableau III.1 : Caractéristiques de la ligne 30kV oued el-Kebrit/EL Aouinet
Tableau III.2 : Comparaison entre la simulation et la réalité
Tableau III.3 : Cout de réalisation du projet OKP 15MWc
Tableau III.4 : La facture des équipements FOB
Tableau III.5 : Tableau récapitulatif des prix
Tableau III.6 : Devis quantitatif de la 2ème Ligne 30 KV d’injection conformément aux bordereaux des prix Groupe Sonelgaz

Liste d’Abréviations

Symbole	Désignations
PV	Photovoltaïque
UV	Ultra-Violet
IF	Infra-Rouge
VIS	Visible
STC	Standard Test Conditions
AM	Air Masse
AC	Alternating Current
DC	Direct Current
BT	Basse Tension
MT	Moyenne Tension
HT	Haute Tension
EnR	Energie Renouvelable
MPPT	Maximum power Point Tracker
PCE	Personal Consumption Expenditures price index
TEP	Tonne Equivalent de Pétrole
GPL/C	Gaz de Pétrole Liquéfié carburant
GN/C	Gaz Naturel carburant
IMD	India Meteorological Department
WRDC	World Radiation Data Centre
NASA	National Aeronautics and Space Administration
DoE	Département d’énergie des Etats-Unis
ESMAP	Energy Sector Management Assistance Program
IRENA	International Renewable Energy Agency
NREL	National Renewable Energy Laboratory
CPDN	Contribution Prévue Déterminée au niveau National
MLI	Modulation par Largeur d’Impulsion
HBDC	Half-Bridge Diode-Clamped
IGBT	Insulated Gate Bipolar Transistor
MOSFET	Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
SiCMOS	Silicon Carbide MOSFET
APRUE	L’Agence Nationale pour la Promotion et la Rationalisation de l’Utilisation de l’Energie
PNEREE	Programme National de Développement des Energies Renouvelables et de L’Efficacité Energétique
CREC	Commission de Régulation de l’Electricité et du Gaz
CREDEG	Centre de Recherche et de Développement de l’Electricité et du Gaz
SKTM	Shariket Kahraba wa Taket Moutadjadida
CDER	Centre de Développement des Energies Renouvelables
CRTSE	Centre de Recherche en Technologie des Semi-conducteurs pour l’Energétique
MEM	Ministère de l’Energie et des Mines
OKP	Oued el Kebrit Photovoltaïque
ASI	Alimentation Sans Interruption
CUF	Capacity Utilization Factor
PR	Performance Ratio
RPE	Raw Produced Energy
NPE	Net Produced Energy

BIBLIOGRAPHIE

[1]	T. Pavlovic, The sun and Photovoltaic Technologies, Suisse: Springer, 2020.
[2]	V. Ion, D. Anca, M. Macedon, B. Bogdan et N. Mircea, Solar Energy Conversion Systems in the Built Environment, Suisse: Springer, 2020.
[3]	ESMAP, «Global Solar Atlas 2.0 Technical Report», World Banc, Washington, DC, 2019.
[4]	IRENA, «Renewable Capacity Statistics 2021 International Renewable Energy Agency (IRENA)», Abu Dhabi, 2021.
[5]	CEREFE, «Transition Energétique en Algérie : Leçons, Etat des Lieux et Perspectives pour un Développement Accéléré des Energies Renouvelables», Alger, 2020.
[6]	A. Reinders, P. Verlinden, W. van Sark et A. Freundlich, Photovoltaic Solar Energy: FROM FUNDAMENTALS TO APPLICATIONS, United Kingdom: Wiley, 2017.
[7]	A. H. A. Al-Waeli, H. A. Kazem, S. Kamaruzzaman et M. T. Chaichan, Photovoltaic/Thermal (PV/T) Systems: Principles, Design, and Applications, Suisse: Springer, 2019.
[8]	H. Yatimi et M. Louzazni, «Modélisation et Simulation du Module photovoltaïque sous MATLAB/SIMULINK», MATEC Web of Conferences, 16 02 2014.
[9]	A. Shah, Solar Cells and Modules, Suisse: Springer, 2020.
[10]	M. R. Patel et O. Beik, Wind and Solar Power Systems: Design, Analysis, and Operation, 3rd Ed., USA: CRC Press, 2021.
[11]	S. K. Sharma et Khuram Ali, Solar Cells: From Materials to Device Technology, Suisse: Springer, 2020.
[12]	D. Wilson, Wearable Solar Cell Systems, USA: CRC Press, 2020.
[13]	D. Rekioua et E. Matagne, Optimization of Photovoltaic Power Systems, London: Springer, 2012.
[14]	A. A. El Baset, M. A. Saad Awad, H. Anwer Ibrahim, et M. Abdelmowgoud Elsayed Eid, Performance Analysis of Photovoltaic Systems with Energy Storage Systems, Suisse: Springer, 2019.
[15]	H. Tyagi, A. K. Agarwal, P. R. Chakraborty et S. Powar, Advances in Solar Energy Research, Suisse: Springer, 2019.
[16]	C. BRUYANT-ROZOY, «Conception de la commande et analyse de stabilité d’un onduleur photovoltaïque connecté au réseau de distribution» MÉMOIRE par l’UNIVERSITÉ DU QUÉBEC, 12 Aout 2019. [En ligne].
[17]	République Algérienne Démocratique et Populaire, «Contribution Prévue Déterminée au niveau National», Algerie, 2015.
[18]	Ministère de l’énergie, «Programme de développement des énergies renouvelables et de l’efficacité énergétique en Algérie», SATINFO, Alger, 2016.
[19]	A.O. Benelkadi, A. Kaabeche et Y. Bakelli, «Etude de faisabilité technico-économique», Revue des Energies Renouvelables, vol. 21, n° 12, p. 181 – 198, 2018.
[20]	«DS New Energy», 17 avril 2019. [En ligne]. Available: http://www.dsnsolar.com/info/7-most-popular-solar-pv-system-design-and-simu-35229172.html.
[21]	http://www.insunwetrust.solar/, [En ligne].
[22]	Centre Régionale de Conduite, Documentation Opérateur Système, Annaba, 2021.

Le travail est divisé en plusieurs pages (articles). Voici la liste :