L'objectif de ce mémoire est d'analyser le potentiel des installations photovoltaïques connectées au réseau électrique insulaire. Notre étude porte sur trois types de systèmes : l'intégration de centrales PV dans le réseau électrique, l'utilisation de système PV en toiture pour réduire les chutes de tension en bout de ligne et un système à vocation expérimentale. La première partie offre une analyse détaillée de l'apport du photovoltaïque dans le réseau de distribution d'électricité corse. La simultanéité entre la charge et la puissance fournie par une centrale PV y est étudiée ainsi que le taux de disponibilité effectif plus communément appelé TDE. La deuxième partie du mémoire est consacrée au secteur résidentiel et plus particulièrement au renforcement des bouts de lignes électriques via la solution photovoltaïque. En effet, de nombreux foyers connaissent aujourd'hui encore des problèmes de chutes de tension. Pour assurer à l'usager un confort maximal nous avons donc choisi cette solution car l'île possède un ensoleillement remarquable et que la population est de plus en plus sensibilisée à ce type d'énergie. Enfin, le troisième et dernier chapitre représente la partie expérimentale de cette thèse. Elle concerne la modélisation d'un système photovoltaïque de 850 Wc connecté au réseau électrique et situé sur le site universitaire de Vignola. Le suivi et le monitoring ont été assurés depuis sa mise en service en 2000. Une étude des performances et de l'interaction entre le réseau et l'onduleur ont mis en évidence les problèmes de productions liés aux fluctuations du réseau. Des modifications nécessaires des paramètres de l'onduleur ont conduits à des performances très satisfaisantes. . Ce travail qui constitue une étude très large de l'intégration de systèmes PV dans le réseau insulaire corse à travers des applications variées devra être complété par une étude du secteur administratifs et surtout d'une étude plus poussée de la relation réseau/système PV.

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L'introduction des nouveaux moyens de transformation de l'énergie primaire et des nouvelles sources d'énergie renouvelables dans les réseaux de distribution entraîne l'apparition de phénomènes nouveaux qu'il est nécessaire d'étudier en détail. Le recours à la modélisation de ces nouvelles sources est nécessaire afin de permettre la simulation de leur fonctionnement. Les modélisations simplifiées utilisées dans les logiciels grands réseaux sont d'abord présentées à la lumière de l'outil Graphe Informationnel de Causalité. Cette démarche de simplification de modèles est poursuivie pour les nouveaux dispositifs de production à connexion électronique au réseau électrique. Une approche générique de modélisation et de commande des sources distribuées de production d'énergie électrique est ensuite proposée. Nous proposons une classification des sources de production décentralisées connectées aux réseaux BT en sources ynamiques caractérisées par une cinématique de transmission dans la génération de puissance et sources statiques caractérisées par l'absence de mouvement mécanique dans la génération de puissance. Dans un cas comme dans l'autre, nous présentons une approche générale de modélisation de ces sources basées sur des considérations d'échanges énergétiques afin d'en déduire les principes fondamentaux de commande. Cette approche est ensuite illustrée sur l'exemple d'une microturbine à gaz, des systèmes à piles à combustible ainsi que des systèmes photovoltaïques. Dans la partie finale de cette thèse, nous proposons deux exemples d'application d'étude de dynamique de réseaux. Le premier traite de la problématique de la régulation de la tension au point de connexion d'une source de production décentralisée. Les principaux moyens de réglage de la tension utilisés dans les réseaux de distribution sont répertoriés. On s'intéresse au réglage de la tension par le contrôle de la puissance réactive d'abord, puis, lorsque c'est nécessaire, par la limitation de la puissance active des sources de production décentralisée. Un algorithme optimisé de réglage de la tension pour les systèmes de production décentralisée est élaboré et testé en simulation. Le deuxième exemple d'application porte sur l'étude d'une source de production décentralisée (une micro turbine) connectée au réseau de distribution Basse Tension. Cette simulation est implantée sur un simulateur temps réel (Hypersim) de réseau sur lequel la source est connectée ce qui permet le test en temps réel sur de loi de commande externe au simulateur. Une étude du comportement en cas de court-circuit est proposée.

Dans le contexte global de recherches d'améliorations des performances d'un système photovoltaïque (PV), il nous a paru nécessaire de commencer cette thèse par une synthèse sur la compréhension des phénomènes physiques impliqués dans l'effet photovoltaïque. En effet, en comprenant mieux leurs interactions par une démarche systématique de recherche sur le comportement des générateurs PV et les origines des effets limitant la production d'énergie PV. Il est possible de mieux situer la problématique de ces travaux de recherche. Tout au long de ces trois années passées, nous nous sommes attachés à rechercher les causes des défaillances des systèmes PV pour proposer des solutions techniques de conversion et rendre les systèmes dans leurs globalités plus fiables et surtout plus efficaces que les produits existants. Ainsi dans la littérature, nous avons pu constater que plusieurs études se focalisent encore de nos jours sur la recherche de modèles plus ou moins précis du comportement de cellules PV puis de modules et de générateurs PV complets soumis à des environnements changeant comme c'est le cas en condition réelle d'ensoleillement. Par ces modèles, à travers diverses simulations reproduisant les conditions d'ensoleillement et d'utilisation des générateurs PV, il est ainsi possible de dissocier les phénomènes et par exemple de différencier les pertes de productible liées à l'environnement des pertes liées à une désadaptation électrique. Ainsi, en quantifiant le potentiel d'amélioration et en comprenant mieux les interactions, la recherche de solutions sur l'amélioration de performances des systèmes peut être ciblée et couvrir un large spectre de fonctionnement.

Afin de satisfaire les besoins futurs en énergie et de réduire l’impact environnemental, l’application de l’énergie renouvelable propre a été récemment reconsidérée. Dans ce contexte, un intérêt croissant pour le système d’alimentation isolé a été mesuré.Le besoin de topologies de faible puissance alimentées par un générateur photovoltaïque, évitant l’utilisation de transformateur, accentue l’étude de systèmes d’alimentation autonomes de basse tension. D’où la nécessité d’étudier les stratégiesde contrôle associées garantissant la stabilité, la fiabilité et l’efficacité.À mesure que les systèmes d’alimentation autonome deviennent plus complexes, les non-linéarités jouent un rôle de plus en plus important dans le comportement du système. La modélisation doit refléter avec précision la dynamique des composants et du système. En outre, les outils d’analyse des systèmes dynamiques devraient être fiable, même dans différents régimes de fonctionnement, fournissant des prédictions précises du comportement de ces derniers. Ce travail est consacré à l’étude d’un système photovoltaïque autonome. La structure proposée se compose d’un panneau photovoltaïque, d’un hacheur et d’une charge connectée en cascade via un bus continu. Les efforts de recherche se concentrent sur le processus de modélisation et l’analyse de stabilité du système. Une implémentation avec une description complète du modèle est ainsi détaillée est validé epar des résultats de simulation. Après avoir donné l’état de l’art, le manuscrit est divisé en quatre parties. Ces parties sont dédiées à la modélisation d’une installation photovoltaïque, à l’amélioration de la simulation numérique, et à l’étude de dynamique de ce système sous contrôles numériques.La thèse présente un aperçu des modèles de générateurs photovoltaïques. Ensuite,un modèle électrique modifié du panneau photovoltaïque est proposé. Nous avons également détaillé le processus de modélisation de l’installation photovoltaïque.Un solveur amélioré de modèle Differential-Algebraic Equations (DAEs) est ensuite développé. Une dixième approche de modélisation est aussi présentée. Nous avons également décrit le système photovoltaïque par un modèle discret simplifié. Ensuite, l’analyse de stabilité du système étudié est détaillée. En outre, nous avons étudié le comportement chaotique qui apparaît dans l’installation photovoltaïque basée sur le hacheur à deux cellules. Le but de la dernière partie est de montrer comment stabiliser l’orbite chaotique du système. Enfin, pour atteindre cet objectif, la commande par retour d’état retardé Time-Delayed Feedback Control (TDFC) est appliquée. / In order to satisfy future energy requirement and reduce environmental impact, application of clean renewable energy, have been reconsidered recently. In this context, a growing interest in isolated power system has been observed. The need of low power topologies fed by photovoltaic array avoiding the use oftransformer open the study of small-scale stand-alone power system. Hence, theneed to study the associated control design strategies ensuring stability, reliability and high efficiency.As systems become more complex, nonlinearities play an increasingly importantrole in stand-alone power system behaviour. Modeling must accurately reflect component and system dynamics. In addition, analysis tools should continue to workreliably, even under various system conditions, providing accurate predictions of systems behaviour.This work is devoted to the study of a stand-alone photovoltaic power system.The proposed structure consists on photovoltaic array, a dc-dc buck converter, anda load connected in cascade through a dc bus. The research efforts focus on themodeling process and stability analysis, which leads to an implementation with acomprehensive description validated through simulation results.After giving the state-of-the-art in second chapter, the manuscript is divided into four chapters. These parts are dedicated to photovoltaic plant modeling, the numeric simulation improvements and dynamic investigation of the photovoltaic system under digital controls.The thesis presents an overview of the photovoltaic generator models. Then, amodified photovoltaic array model is proposed. We also detailed the photovoltaic plant modeling process. An improved Differential-Algebraic Equations (DAEs)solver is then investigated. We also described the photovoltaic system by a simplified discrete model. Then, the dynamic stability analysis is detailled. In addition,we have studied the chaotic behaviour that appears in the photovoltaic plant basedon the two-cell dc-dc buck converter.The aim of the last part is to show, using control theory and numerical simulation,how to apply a method to stabilize the chaotic orbit. Finally, to accomplish this aim, a time-delayed feedback controller is used.

Au Vietnam, plus d’un demi-million d’habitations n’ont pas d’accès à l’électricité. Elles se situent principalement dans des régions montagneuses ou sur des îles. Cependant, c’est un pays qui possède un grand potentiel en énergies renouvelables. Dans ce contexte, l’alimentation en électricité pour les sites isolés est une solution prometteuse en termes économique et environnemental. L’énergie solaire est la plus adaptée à l’alimentation en électricité des villages en raison d’un ensoleillement important et d’une maintenance relativement facile. Dans les systèmes de conversion d’énergie utilisant des sources d’énergies renouvelables, on utilise généralement des convertisseurs statiques simples. En effet, si l’on prend un système photovoltaïque, la poursuite du point de puissance maximale (MPPT) se fait à l’aide d’un convertisseur « boost » ou « buck-boost ». Ainsi, en cas de défaillance, le système est mis hors service. L’objectif de cette thèse est d’apporter des améliorations au niveau d’un système photovoltaïque autonome pouvant être utilisé dans un site isolé. Ainsi nous avons développé un algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT) utilisant des convertisseurs DC-DC à trois niveaux (CBTN) permettant d’extraire le maximum de puissance d’un générateur photovoltaïque quelles que soient les variations climatiques (température, ensoleillement) ou de la charge. L’architecture à base de panneaux solaires associé à un système de stockage a nécessité la mise en place d’un superviseur flou afin de maîtriser la gestion des flux. Enfin, nous avons proposé une méthode de détection de défauts afin de gérer efficacement les cas de défaillance d’un élément du convertisseur multiniveaux. En effet, en cas de défauts, on doit pouvoir passer en mode dégradé pour pouvoir assurer un service proche du comportement nominal ou au moins minimal en attendant une maintenance corrective. / In Vietnam, more than half a million people do not have access to electricity. They are mainly in mountainous regions or on islands. However, this country has great potential for renewable energy. In this context, these sources of energy can be regarded as promising solutions both economically and environmentally for supplying electrical power. Solar energy is the most suitable to supply villages with electricity because of the plentiful solar radiation and relatively easy maintenance of the structures. In energy conversion systems using renewable energy sources, simple static converters are generally used. Indeed, if we explore a photovoltaic system, the maximum power point tracking (MPPT) is done using a boost or buck-boost converter. Thus, in case of failure, the system is simply switched off. The aim of this thesis is to make improvements to an autonomous photovoltaic system that can be used in an isolated site. Therefore, an MPPT algorithm using three-level DC-DC converters is developed to extract the maximum power of a photovoltaic generator, whatever the climatic variations (temperature, sunlight) or charge. The system’s architecture is based on solar panels associated with a storage system, which required the development of a fuzzy supervisor to control the flow management. Finally, we propose a fault detection method to efficiently manage the failure of a multi-level converter element. Indeed, if there is a fault, we must go into a degraded mode to provide a service close to normal or at least minimal functioning, pending maintenance.

Le Vietnam est un pays en voie d’industrialisation rapide ce qui engendre une croissance élevée des besoins énergétiques. La consommation énergétique du Vietnam est en augmentation mais pas de façon égale dans tout le pays. En effet, 66.9% de la population du Vietnam vit en zone rurale en 2014. Une grande partie de la population vit encore pauvrement dans des sites isolés avec des accès très restreint aux énergies. Le Vietnam Master Power Plan VII (2011) indique que 759.986 habitations n’ont pas accès à l’électricité.Cependant, le Vietnam est un pays qui possède un grand potentiel en énergie renouvelable (l’énergie solaire, l’énergie éolienne, l’énergie hydroélectrique, l’énergie Biomasse). Le Vietnam a élaboré une stratégie de développement des énergies renouvelables, afin de mobiliser toutes les ressources pour réduire la dépendance aux combustibles fossiles. Les sites isolés se situent principalement au Nord-Ouest du Vietnam, près de la frontière avec le Laos et la Chine, où il existe un grand potentiel d’énergie hydraulique et/ou solaire. Il faut quand même signaler que ces énergies sont souvent saisonnières et, par exemple, une microcentrale hydroélectrique ne peut pas satisfaire la demande en énergie électrique lors de la saison sèche. Donc, un système utilisant deux sources d’énergies renouvelables (panneaux photovoltaïques et microcentrale hydroélectrique) est l’une des solutions optimales pour alimenter en électricité un site isolé au Vietnam. L’objectif de cette thèse est la gestion optimale de l’électricité renouvelable d'un tel système.Afin de satisfaire à une utilisation maximale, le principe de suivi du point maximum (ou Maximum Power Point Tracking – MPPT) est mis en application. Pour la chaine de conversion photovoltaïque, un contrôleur flou à une entrée est proposé afin de suivre le point de puissance maximale du panneau solaire.Pour la chaine de conversion hydroélectrique, une turbine Pelton couplée à un générateur synchrone à rotor bobiné permet d’alimenter en électricité une charge triphasée. Une plateforme d'essais est réalisée dans le laboratoire CReSTIC, IUT de Troyes pour effectuer une validation expérimentale du système de régulation d’une Microcentrale hydroélectrique.Pour la réalisation d’un système de production d’électricité hybride, un superviseur flou est conçu pour obtenir un comportement optimal du système. Après, une étude sur les avantages et inconvénients de ce type de systèmes hybrides pour un site isolé a été effectuée (amélioration de la formation des adultes, augmentation du temps de travail pendant la nuit, réduction du coût du carburant).Ce travail contribue à la connaissance d'une gestion optimale des énergies renouvelables pour site isolé en révélant les avantages et les qualités de l’utilisation des ressources d’énergie renouvelables au gouvernement et à d’autres investisseurs locaux ou internationaux au Vietnam. / As a rapidly industrializing country, the economy of Vietnam's has become very energy intensive. Thought, 66.9% of Vietnam's population lives in rural area in 2014. Many people still live in remote farming areas that are stricken with poverty. The Vietnam Master Power Plan VII (2011) indicates that still 818,947 households are not connected to the national grid, and 759,986 households do not have any access to electricity.Vietnam has high potential on renewable energy resources (Wind, Solar, Hydro, Biomass, and Geothermal). Using hybrid renewable energy system is considered to be one of the most feasible options to bring electricity to local people to improve life quality. The off-grid communities in Vietnam are located mainly in the north-west of Vietnam, near the border with Laos and China, where exist a great potential on Hydro power and/or solar power. A micro hydro power plant cannot satisfy the load demand, especially in dry season. Therefore, additional energy sources such as PV arrays have been suggested to complement power efficiency. Thus, this working discusses the pre-feasibility for small hybrid power generation system consisting of a PV generating unit with storage and a micro hydro generation unit for off-grid areas in Vietnam.The objective of this thesis is to optimize the production of renewable electricity for this type of small hybrid power generation system. For the photovoltaic conversion system, a one input fuzzy logic controller for maximum power point tracking is designed. For the Micro-hydro power plants (MHPP), a Pelton turbine is coupled to a would rotor synchronous generator to supply electricity for a three phase load. To keep the MHPP frequency and voltage outputs constant (50 Hz, 230 V) in spite of changing user loads, the controller is necessary. The experimental results of MHPP frequency and voltages control show the ability of our controller. For the realization of small hybrid power generation, a fuzzy supervisor is adapted to obtain an optimal behavior of the system. Finally, a study on the advantages of this type of hybrid system is carried out (improvement of adult training, increased night working hours, and reduction fuel costs). This thesis contributes to the knowledge of Renewable Energy (RE) by revealing the suitable usability and prospects of RE resources to the government and other local or international investors in Vietnam.

Les systèmes photovoltaïques de pompage d'eau (PVWPS) sont une solution intéressante pour améliorer l’accès à l’eau dans les communautés rurales des pays en voie de développement. Cette thèse développe une méthodologie de conception optimale des PVWPS pour l’accès à l’eau domestique basée sur une approche interdisciplinaire. L’objectif est de déterminer les dimensionnements du PVWPS et ses positions géographiques dans le village qui maximisent l’impact positif du système sur le développement socio-économique et minimisent son coût sur cycle de vie. Cette méthodologie est appliquée au cas d’un village rural du Burkina Faso, où nous avons collecté des données techniques et sociaux-économiques depuis 2 ans. La première originalité principale de ce travail est la modélisation du lien entre la conception du PVWPS et son impact socio-économique, ce qui permet d’inclure l’impact socio-économique comme fonction objectif de l’optimisation. La seconde originalité principale est l’intégration de la position géographique du PVWPS dans le village comme variable d’optimisation, en plus du dimensionnement du système. Cette méthodologie pourrait également être appliquée à la mise en place d'autres types de systèmes, tels que les moulins communaux alimentés par énergie photovoltaïque dans les zones isolées ou les bornes de recharges publiques pour les véhicules électriques dans les villes. / Photovoltaic water pumping systems (PVWPS) are an interesting solution to improve access to water in rural communities of developing countries. This thesis develops a methodology for the optimal design of PVWPS for domestic consumption based on an interdisciplinary approach. The objective is to determine the sizings of the PVWPS and its geographical positions in the village that maximize the positive impact of the system on socio-economic development and minimize its life-cycle cost. This methodology is applied to the case of a rural village in Burkina Faso, where we have been collecting technical and socio-economic data for 2 years. The first main originality of this work is the modelling of the link between the design of a PVWPS and its socio-economic impact, which allows to include the socio-economic impact to be included as an objective function of the optimisation. The second main originality is the inclusion of the geographical position of the PVWPS in the village as an optimisation variable, in addition to the sizing of the system. There is potential for applying the proposed methodology for the set-up of other types of systems such as community mills powered by photovoltaic energy in isolated areas and public charging points for electrical vehicles in cities.

A l'aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d'énergie d'une application stationnaire isolée à base d'un système PEMFC couplé à l'énergie solaire photovoltaïque comme source principale d'énergie sont développées. Afin d'assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d'énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d'inversion.Le phénomène d'effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d'énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d'ensoleillement d'une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l'état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs.

A l’aide de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) comme outil de modélisation graphique, la modélisation et la gestion d’énergie d’une application stationnaire isolée à base d’un système PEMFC couplé à l’énergie solaire photovoltaïque comme source principale d’énergie sont développées. Afin d’assurer une autonomie du système en combustible, un électrolyseur PEM est intégré au dispositif. En outre, des packs de batteries et de supercondensateurs permettent un stockage d’énergie et de puissance.Grâce à la modularité de la REM, les modèles respectifs des différentes entités énergétiques du système ont été développés avant de les assembler pour reconstituer un modèle global. Une caractéristique propre de la REM étant la commande, une Structure Maximale de Commande (SMC) est déduite du modèle REM du système par application de règles d’inversion.Le phénomène d’effet échelle a permis de dimensionner le système grâce à un profil de consommation domestique d’énergie électrique. Une stratégie de gestion énergétique basée sur la méthode du bilan des flux de puissance et prenant en compte les dynamiques de chaque source a été développée. Différents modes de fonctionnement ont été étudiés. Grâce è un profil d’ensoleillement d’une journée, la pertinence du modèle a été évaluée. Il a été en outre introduit un couplage entre la méthode du bilan des flux de puissance et la logique floue afin que la stratégie de gestion redéfinisse les références des grandeurs électriques en tenant compte de l’état de charge des batteries et de celui des supercondensateurs. / A stand alone multi-source system based on the coupling of photovoltaic energy and both a PEM electrolyser and a PEMFC for stationary application is studied. The system gathers photovoltaic array as main energy source, ultracapacitors and batteries packs in order to smooth respectively fast and medium dynamic by supplying the load or by absorbing photovoltaic source overproduction. Because of the necessity of fuel availability, especially for islanding application like this one, a PEM electrolyser is integrated to the system for in situ hydrogen production.The main purpose being modeling and management of the power flows in order to meet the energy requirement without power cut, a graphical modeling tool namely Energetic Macroscopic Representation (EMR) is used because of its analysis and control strengths. Thanks to the modular feature of the EMR, the different models of each energetic entity of the system are performed before their assembling.By using scale effect, the energetic system sizing is performed according to a household power profile. Then, by the help of the multi-level representation, the maximal control structure (MCS) is deduced from the system EMR model. The electrical reference values of the MCS are generated by applying the power balancing method involving the own dynamic of each source into the energy management strategy. Different behavior modes are taken into account. By considering an irradiance profile for one day, the system is simulated highlighting its suitable behaviour. Moreover, the relevance of the introduced coupling between fuzzy logic controller and the power balancing method is pointed out.