Hacheur à gain élevé fourni par le système photovoltaïque vers un moteur à réluctance synchrone alimenté pour les applications de pompage d'eau

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 15519 (2022) Citer cet article

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La production d’électricité à partir de sources d’énergie renouvelables a augmenté rapidement au cours des dernières années. De même, les hacheurs élévateurs CC-CC à gain élevé remplacent les convertisseurs de puissance conventionnels utilisés pour les appareils photovoltaïques (PV). Les chercheurs développent différentes méthodes afin de fournir un gain de tension élevé, une faible ondulation, une contrainte de commutation réduite, de faibles coûts de convertisseur et des variations minimisées des points de fonctionnement photovoltaïques. Cette étude propose un convertisseur à deux étages pour un moteur de pompage d'eau autonome alimenté par un système solaire photovoltaïque. Selon le système proposé, dans un premier temps, une cellule à gain élevé (HG) et un convertisseur élévateur DC-DC sont combinés pour augmenter la tension PV à des niveaux élevés. Plus tard, la tension continue résultante alimente un moteur triphasé à réluctance synchrone qui fait fonctionner la charge de la pompe centrifuge. L'approche de perturbation et d'observation est utilisée pour obtenir la puissance maximale du module solaire photovoltaïque. De plus, un contrôle indirect orienté champ est mis en œuvre pour réaliser un démarrage en douceur du moteur à réluctance synchrone. Afin de valider l'efficacité de la technique proposée, une configuration de simulation basée sur l'environnement MATLAB/Simulink ainsi qu'un prototype expérimental sont développés. De plus, divers cas sont considérés en fonction de différentes conditions de fonctionnement et niveaux d'irradiation pour collecter et analyser les résultats.

Il ne fait aucun doute que le développement des ressources énergétiques renouvelables aide les opérateurs et les planificateurs de réseaux électriques à accroître leurs applications dans l’industrie. Les systèmes de pompage d’eau à énergie solaire sont devenus populaires et attrayants dans les zones reculées, en particulier là où il n’y a pas d’accès à un réseau électrique conventionnel1. Cependant, le système de pompage d’eau à énergie solaire présente certaines limites, par exemple, il ne peut pas pomper l’eau la nuit ou par temps nuageux. Cependant, ces limitations peuvent être surmontées en installant le système de stockage d'énergie avec les unités de production photovoltaïque2. Mais les batteries des systèmes de stockage d’énergie ont leurs propres inconvénients, comme une durée de vie plus courte et un manque de rentabilité. De plus, les batteries nécessitent une maintenance et un service continus, ce qui augmente les dépenses globales3. Pour remédier à ces inconvénients, il est nécessaire de pomper l’eau pendant la journée et de stocker l’eau en excès dans des réservoirs spéciaux. L'eau stockée peut être utilisée la nuit ou par temps nuageux pour l'irrigation ou d'autres services publics nécessaires4. Le panneau solaire photovoltaïque fonctionne comme une source d'énergie majeure ; en revanche, une batterie est utilisée comme alimentation de secours et est chargée par le module SPV lorsque la pompe ne fonctionne pas ou fonctionne à un régime réduit5,6,7.

Alors que l'intégration et la mise en œuvre de systèmes de pompage d'eau à énergie solaire augmentent, les chercheurs se concentrent sur l'amélioration de la fiabilité et de l'efficacité globales de ces systèmes et sur le développement d'approches de contrôle économiques et simples pour l'unité d'entraînement. Il ressort de diverses sources que l'unité d'entraînement utilisée pour le pompage de l'eau représente environ un tiers des dépenses globales du système8. Les performances de l'unité d'entraînement ont un impact direct sur l'efficacité et l'efficience du système. Par conséquent, une unité d’entraînement appropriée et efficace pour un système de pompage d’eau à énergie solaire est essentielle9.

Généralement, les systèmes de pompage d'eau à énergie solaire utilisent des moteurs à induction (IM), des moteurs à courant continu conventionnels, des moteurs à réluctance commutée et des moteurs à courant continu sans balais (BLDC). Chaque type de moteur a ses avantages et ses inconvénients ; par exemple, l'IM est robuste et rentable, mais il présente des inconvénients dans les applications de pompage d'eau à énergie solaire, en particulier pour les systèmes à puissance partielle10. Par conséquent, les moteurs à courant continu conventionnels ont un faible rendement et nécessitent des manettes de vitesse mécaniques ainsi que des balais de charbon pour fonctionner, ce qui nécessite un entretien régulier11. Les pertes fréquentes de maintenance et d’excitation provoquent une interruption du processus et une faible efficacité12. Cependant, le moteur à réluctance commutée présente la robustesse la plus élémentaire et surmonte ces problèmes. Dans les références 13, 14, 15, 16, les chercheurs discutent des avantages des moteurs à réluctance synchrone avec entraînements à vitesse réglable. Les chercheurs ont conclu que les moteurs à réluctance synchrone nécessitaient une structure de rotor simple, une inertie minimale et une unité de contrôle de vitesse sans effort et sans capteurs. De plus, les moteurs à réluctance synchrone n'ont pas besoin de cage de rotor dans les entraînements à vitesse variable et leurs pertes résistives sont minimes. De plus, par rapport aux moteurs synchrones à aimant permanent, les moteurs synchrones à réluctance présentent un processus d'affaiblissement de champ simple et ne nécessitent pas d'aimants coûteux.