Comme tout processus industriel, un système photovoltaïque peut être soumis, au cours de son fonctionnement, à différents défauts et anomalies conduisant à une baisse de la performance du système et voire à son indisponibilité. Permettre de diagnostiquer finement et de faire de la détection et de localisation de défauts dans une installation PV réduit les coûts de maintenance et surtout augmente la productivité. Dans ce travail de thèse, nous nous intéressons spécifiquement à la détection et la localisation de défauts côté DC du système PV, c'est-à-dire du côté générateur PV. L'objectif de cette thèse est de proposer, en prenant le moins de mesures possibles pour respecter les contraintes économiques, un algorithme pour détecter et localiser des défauts conduisant à une baisse de production. Pour cela, le choix s'est porté sur l'analyse de la caractéristique I-V du générateur PV pour les différents modes de fonctionnement considérés. Cette analyse a conduit à utiliser la méthode d'inférence pour effectuer le diagnostic de l'installation. Cette démarche a été validée par des expérimentations sur site, des simulations temps-réel et hors temps-réel. / As every industrial process, a photovoltaic system may subject, during his operation, to various faults and abnormalities leading to a drop of its efficiency up to its unavailability. A precise diagnosis and a fault detection and isolation make it possible to reduce the maintenance costs and above all increase the yield. In this work, a focus has been made on the fault detection and isolation in the DC part of the PV system, it means of the PV array. The goal of this work is to propose, by conducting the less possible measurements to meet the economic constraints, an algorithm to detect an isolate the faults causing a drop in the array yield. To achieve this goal, the analysis of the I-V characteristic has been chosen. This analysis leads to the use of the inference method to conduct the diagnosis of the PV plant. This procedure has been validated by on site experiments, real-time simulations and non real-time simulations.

Cette thèse traite la commande et l'optimisation d'une installation photovoltaïquepour un site isolé. Ainsi, nous avons proposé un algorithme par logique flouepermettant la poursuite du point de puissance maximal afin de remédier auxinconvénients des méthodes classiques. Ensuite, nous nous sommes intéressés àl'optimisation de la structure de l'installation. En effet, dans les installationsclassiques, dans le cas de défaillance d'un panneaux, tout le bloc série devientinutilisable, ce qui réduit considérablement les capacités de production del'installation. Pour résoudre ce problème, nous avons proposé un superviseur permettant la reconfiguration automatique de l'installation de telle sorte que seul lepanneaux défaillant est mis hors connexion. Par ailleurs, pour gérer le flux depuissance et pour répondre à la demande de l'utilisateur, nous avons développé un superviseur par logique floue. Ainsi, le surplus de production est stocké systématiquement dans la batterie pour l'utiliser ensuite en cas où la demandedépasse la production. De plus, la structure proposée permet de ne solliciter la batterie en cas de besoin de ce qui permet de prolonger considérablement sa duréede vie. / This thesis addresses the control and optimization of a stand-alone photovoltaicsystem. Thus, we proposed a fuzzy logic algorithm for tracking the maximum powerpoint to overcome the disadvantages of classical methods. Then we focused onoptimizing the structure of the installation. Indeed, in conventional systems, in thecase of failure of a panel, the whole serie block becomes unusable, greatly reducingthe production capacity. To resolve this problem, we proposed a supervisor for theautomatic reconfiguration of the installation so that only the failed panels is takenoffline. Furthermore, to manage the power flow and to meet user demand, wedeveloped a fuzzy supervisor. Thus, the surplus production is systematically storedin the battery for later use in cases where demand exceeds production. In addition,the proposed structure can not draining the battery in case of need thereby greatlyextend its lifetime.

Le projet SACER vise à répondre aux demandes d’Airbus qui ont besoin de disposer de données décrivant le comportement d’un avion ou d’un satellite avant commercialisation ou lancement. Pour mieux répondre à cette demande, un réseau de capteurs sans fil remplacerait les équipements de test filaires existants. Le but est d’apporter des avantages tels qu’une réduction de poids, de coût et de connectique. Pour notre part, nous n’avons travaillé que sur l’application aéronautique.Pour alimenter les capteurs autonomes sans fil embarqués, dans le cadre de cette thèse, il faut concevoir une architecture de récupération d’énergie, un système de stockage de l’énergie ainsi que un circuit de gestion de ces énergies. La principale contrainte pour le système est qu’il doit pouvoir fonctionner de -50C à 100°C, tout en délivrant une puissance de sortie de 3 watts. De plus, l’épaisseur du système doit être inférieure à 3,2 mm.Pour notre travail, nous avons cherché, dans un premier temps, la meilleure solution possible sur le choix du type de cellules solaires. Le résultat sur les tests des cellules à différentes températures et irradiations dans les conditions de notre application est présenté. Dans un second temps, nous avons testé plusieurs types de systèmes de stockage d’énergie aux températures extrêmes. Enfin, la conception de l’architecture pour la gestion de l’énergie (vue d’ensemble des panneaux photovoltaïques, d’un circuit MPPT, des super condensateurs, et d’un régulateur) est présentée / Flight tests of a commercial aircraft consist in gathering data during flight to validate aircraft design. However they are very expensive for various reasons. One of them is that most of the sensors implemented to collect data are wired. As an example, for the sole system that monitors the vibrations onboard a large (more than 100 seats) aircraft, more than 100 sensors may be deployed. Such networks are complex to implement, mainly because of the required wiring. A wireless solution is therefore of great interest; however, such a cable-less implementation implies both wireless transmission of data together with energy autonomy.The purpose of this work is therefore to describe a design of a power generation system, focusing on photovoltaic, together with the associated management strategies for an autonomous wireless sensor network deployed for large aircraft in-flight tests. This work is a part of SACER project. The main requirements are related to the thickness of the system (less than 3,2mm in order not to disturb the aerodynamic air flow) and the output power (3 W per sensor node in order to power the sensor, data processing and transmission system). In addition, the system has to properly work at extremely high and low temperature (-50 to 100°C). Our system consists of three primary components to consider: Energy Harvesting system, Energy storage device and Energy management system.In this work, we firstly present the comparison of the performance of different photovoltaic technologies at different temperatures concerning their availability and achievable power density in aircraft applications. Secondly, we will investigate the possibility of using batteries and supercapacitor. Finally the power management system, composed by a photovoltaic panel, a power conditioning (MPPT function), supercapacitors and a DC/DC regulator, is presented

L'objectif des travaux présentés dans cette thèse est d'apporter une contribution à l'étude d'un système photovoltaïque fonctionnant à sa puissance maximale et énergétiquement autonome. Le cas étudié, dans cette thèse, concerne la commande d'une chaine de pompage photovoltaïque dans un site isolé. Dans ce sens, et pour que le système photovoltaïque fonctionne à sa puissance maximale, il doit comporter un étage d'adaptation associé à un algorithme MPPT. Dans notre étude, nous avons utilisé deux algorithmes MPPT, l'algorithme “Perturb and Observe” (P&O) puis l'algorithme “ Increment of Conductance” (IncCond). Dans quelques applications industrielles, il est parfois nécessaire de maintenir la tension délivrée par le système photovoltaïque constante. Pour cela, un système de contrôle de cette tension est présenté. Les méthodes utilisées pour la simulation de ce système sont basées sur l'utilisation d'un régulateur PID, puis sur le contrôle par mode glissant, et enfin sur un contrôleur par logique floue. Ce système est testé pour une charge résistive puis pour le cas d'une pompe centrifuge entrainée par un moteur à courant continu à aimant permanent. Ensuite, nous avons étudié le cas d'une chaine de pompage utilisant un moteur asynchrone triphasé comme moteur d'entrainement. Dans le but d'avoir la possibilité de régler le débit d'eau, et en se basant sur la caractéristique de proportionnalité entre la vitesse et le débit, la méthode de contrôle direct du couple, Direct Torque Control - DTC est utilisée pour la commande de la vitesse du moteur asynchrone. / The aim of the work presented in this thesis is to contribute to the study of a photovoltaic system operating at its maximum power and energetically autonomous. The case studied in this thesis relates to the control of a chain of photovoltaic pumping in an isolated site. In this sense and for the PV system operates at its maximum power, it must include a converter associated with a MPPT algorithm. In our study, we used two MPPT algorithms, the algorithm “Perturb and Observe” (P & O), then the algorithm “Increment of Conductance” (IncCond). In some industrial applications, it is sometimes necessary to maintain the voltage delivered by the PV system constant. For this, a control system of this voltage is presented. The methods used for the simulation of this system are based on the use of a PID controller and the sliding mode control, and finally a fuzzy logic controller. This system was tested for a resistive load then for the case of a centrifugal pump driven by a permanent magnetic DC motor. Then we studied the case of a pumping chain using a three-phase induction motor as a drive motor. In order to be able to regulate the flow of water, the Direct Torque Control method “DTC” is used to control the speed of the induction motor because it is proportional with the water flow.

Rozptýlená výroba elektrické energie využívající obnovitelné zdroje, jako je sluneční energie, přispívá ke snížení emisí skleníkových plynů. Z hlediska provozu distribuční soustavy je také výhodné, aby energie byla primárně spotřebována v místě výroby. To je částečně možné přizpůsobením spotřeby, ale především využitím akumulačních systémů. V této práci je představen hybridní systém složený z fotovoltaické elektrárny, akumulátoru elektrické energie a akumulátoru tepelné energie. Výběr a parametry všech částí hybridního systému jsou popsány v práci. Akumulátor elektrické energie je navržen a sestaven z LiNiMnCoO2 článků a řídícího systému zajišťujícího bezpečný provoz. Řídicí systém akumulátoru (BMS) zajistí odpojení baterie, pokud je překročen některý z provozních parametrů baterie. Návrh baterie i sestavy je popsán v práci. Akumulátor tepelné energie sestává z výkonového spínače a nádrže na teplou vodu s topnou patronou pro odporový ohřev vody. Na základě rešerše komerčně používaných zařízení pro regulaci příkonu byly definovány jejich nedostatky a na základě nich bylo navrženo optimální řešení. Řešení spočívá v použití komerčního polovodičového spínacího prvku. Pro tento výkonový spínací prvek byla vytvořena zpětnovazební řídící smyčka s regulátorem výkonu, který byl implementován v prostředí softwaru LabVIEW. V práci je také uveden postup návrhu chladiče spínacího prvku a LCL filtru, který je klíčový pro splnění požadavků elektromagnetické kompatibility. V druhé části práce je popsán návrh nadřazeného řídícího algoritmu, jehož úkolem je řídit výkonové toky v hybridním systému tak, aby byly splněny požadavky definované jak uživatelem, tak i okamžitým stavem akumulátorů. Algoritmus byl implementován v prostředí LabVIEW. Funkčnost celého systému byla ověřena měřením v laboratorních podmínkách. Z výsledků plyne, že nadřazený řídící algoritmus funguje správně. Řídící smyčka tepelného akumulátoru je stabilní a reguluje zátěž na požadovanou hodnotu. Přidanou hodnotou je kratší reakční doba na změnu toku výkonu oproti hybridnímu měniči a díky tomu dochází k minimalizaci přetoků elektrické energie do distribuční sítě. Na práci je možné navázat rozšířením stávajícího algoritmu o možnost řízení/ovládání více typů akumulačních jednotek a generátorů nebo implementováním odlišných strategií řízení.

Objective of master’s thesis theoretical part is especially to illustrate influence of operation conditions, such as solar radiation, temperature or pollution of photovoltaic generator active area, on load and power characteristics of photovoltaic generator, or more precisely on photovoltaic conversion efficiency. Possible variants of increasing effectivity of using photovoltaic generator are explored, such as solar radiation concentration, photovoltaic generator active area cooling or aplication of optimalization circuit. Pivotal part of master‘s thesis is focused on experimental device practical realisation, concretely type MSQ36-10 photovoltaic generator with oriented concentrators of solar radiation. Practical realisation includes design of master‘s thesis experimental part construction with subsequent design of photovoltaic generator motion cycle necessary for adequate simulation of configuration variants solved using single testing photovoltaic generator. Description of own experimental device construction with list of measuring places used in task takes up. It is used automatic monitoring system working as independent measurement task for required values measuring and consecutive data collecting. It is done in two phases. First phase is measurement of all required values, in second phase measurement with attached optimalization circuit is made. Optimalization circuit sets best working point of photovoltaic generator according to actual working conditions. Master‘s thesis intention is experimental verification of solar radiation concentrators application convenience, orientation of photovoltaic generator or its mutual combination, namely using type MSQ36-10 photovoltaic generator. Objective is evaluation of reached energetic gain for all experimental device layouts in variable operating conditions.

Ce mémoire présente le travail de recherche effectué pour la conception d'une stratégie de commande originale, destinée aux systèmes de puissance hybrides en sites isolés. Le système considéré, voué à l'alimentation électrique d'une habitation, comprend deux sources, un groupe de panneaux photovoltaïques et une petite éolienne, et deux types de stockage, un banc de batteries lithium-ion et un de supercondensateurs. Face au problème de gestion de l'énergie dans un système hybride, et aux enjeux de maximisation de sa puissance produite, nous proposons de développer une stratégie de commande basée sur les flux d'énergie. pour cela, nous présentons dans un premier temps les modélisations d'Euler-Lagrange et hamiltonienne du système. Ces modèles permettent d'utiliser la propriété de passivité de celui-ci, et ainsi de synthétiser des commandes par injection d'amortissement pour chaque source, afin de maximiser sa production, et pour les supercondensateurs, dans le but d'assurer une répartition cohérente des flux d'énergie entre eux et les batteries. Les commandes sont finalement mises en œuvre dans un simulateur, puis dans un banc d'essai expérimental, afin d'une part de comparer leurs performances à celles de solutions préexistantes, et d'autre part de valider le bon fonctionnement du système hybride complet les utilisant. / This thesis presents the research about design of a new control strategy for stand-alone hybrid power systems. The considered system is composed of two sources, a group of photovoltaic panels and a low-power wind generator, and of two kinds of storage, a bank of lithium-ion batteries and one of supercapacitors. Faced with the problem of energy management in a hybrid power system, and with necessity of maximizing the produced power, we intend to develop an energy-based control strategy.For this purpose, we present the system's Euler-Lagrange modeling and Hamiltonian modeling. These models allow the use of the passivity property, and then the design of Passivity-Based Controllers for each source, in order to maximize its production, and for the supercapacitors, to ensure a fitted power sharing between batteries and them. The controllers are finally implemented in a simulator, and then in a experimental test bench, in order to compare their performances to pre-existent solutions, and tovalidate the control law for the global hybrid system.

Ces dernières années, un intérêt croissant pour les systèmes électroniques de puissance a été motivé par l'émergence de sources d'énergie distribuées et renouvelables raccordées aux réseaux électriques. Dans ce contexte, la nécessité de topologies de faibles puissances alimentées par quelques modules photovoltaïques, en évitant l'utilisation de transformateurs, a ouvert l'étude de convertisseurs spéciaux et l’étude des stratégies de commande associées afin d’assurer la stabilité, la fiabilité et un rendement élevé du dispositif. Une possible solution est d’utiliser un dispositif générique connu dans la littérature scientifique et commerciale comme « micro-onduleur » ou «convertisseur intégré au module » qui avec le module photovoltaïque définit un produit « plug and play » appelé "module AC".Ce travail est consacré à l'étude d'un micro-onduleur monophasé avec deux étapes sans transformateur raccordée au réseau. La topologie proposée est composé d’un convertisseur DC-DC non isolé élévateur avec un gain quadratique et un onduleur réducteur lié au réseau connectés en cascade. Le convertisseur DC-DC extrait en permanence la puissance maximale du module photovoltaïque malgré les changements dans les conditions environnementales. L'étape DC-AC injecte la puissance extraite par l'étape DC-DC dans le réseau et assure un niveau élevé de qualité de l’énergie. Les efforts de recherche de ce travail sont concentrés sur la mise au point de commandes utilisant comment base, la théorie de contrôle par mode de glissement, qui conduit à une mise en œuvre simple avec une description théorique complète validée á partir de simulations et expérimentations.Après avoir décrit l'état de l’art dans le premier chapitre, le manuscrit est divisé en quatre chapitres, qui sont dédiés respectivement à l’algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT), á l’étape de conversion DC-DC, á l'étape de conversion DC-AC et finalement au micro-onduleur complet. Un nouvel algorithme de recherche extrémal du point de puissance maximale est développé (SM-ESC). Pour la étape DC-DC, le convertisseur élévateur quadratique avec seulement un interrupteur contrôlé est étudié utilisant le concept de résistance sans perte par mode de glissement (de l’acronyme anglais : Sliding-Mode Loss-Free-Resistor – SM-LFR) afin d’obtenir un gain de tension élevé avec un fonctionnement sûr et compatible avec l’algorithme MPPT. Pour la étape DC-AC, le convertisseur de pont complet est contrôlé comme un onduleur de source de puissance (de l’acronyme anglais : Power Source Inverter - PSI) en utilisant une commande par mode de glissement qui poursuit une référence sinusoïdale de courant de sortie. Cette commande est complétée par une boucle de régulation de la tension du bus DC qui assure une haute qualité d’énergie injectée dans le réseau. Enfin, les trois étapes constitutives sont fusionnées pour obtenir un micro-onduleur complètement contrôlé par la technique de mode de glissement, ce qui constitue le principal résultat et contribution de cette thèse. / These last years, a growing interest in power electronic systems has been motivated by the emergence of distributed renewable energy resources and their interconnection with the grid. In this context, the need of low power topologies fed by a few photovoltaic modules avoiding the use of transformers opens the study of special converters and the associated control strategies ensuring stability, reliability and high efficiency. A resulted generic device known in the commercial and scientific literature as “microinverter” or “module integrated converter” performs a plug and play product together with the PV module called an “AC module”.This work is devoted to the study of a transformer-less single-phase double-stage grid-connected microinverter. The proposed topology has a non-isolated high-gain boost type DC-DC converter and a non-isolated buck type DC-AC converter connected in cascade through a DC bus. The DC-DC converter permanently extracts the maximum power of the PV module ensuring at the same time a good performance coping with power changes introduced by the change in the environmental conditions. The DC-AC stage injects the power extracted by the DC-DC stage into the grid ensuring a high level of power quality. The research efforts focus on the involved control functions based on the sliding mode control theory, which leads to a simple implementation with a comprehensive theoretical description validated through simulation and experimental results.After giving the state-of-the-art in the first chapter, the manuscript is divided into four chapters, which are dedicated to the Maximum Power Point Tracking (MPPT), the DC-DC stage and its control, the DC-AC stage and its control and the complete microinverter. A new Extremum Seeking Control (ESC) MPPT algorithm is proposed. The single-switch quadratic boost converter is studied operating as a Loss-Free-Resistor (LFR) obtaining a high DC output voltage level with a safe operation. The full-bridge converter is controlled as a Power Source Inverter (PSI) using a simple sliding-mode based tracking law, regulating the voltage of the DC bus and then ensuring a high power quality level in the grid connection. Finally, the three building blocks are merged to obtain a sliding mode controlled microinverter constituting the main result and contribution of the work