Caractéristiques du circuit

2.2. LA VALIDATION DE LA SOLUTION... 63 2.2.1. Fonctionnement normal... 63 2.2.2. Fonctionnement dégradé ... 64 2.2.3. Limite de fonctionnement... 65 3. OPTIMISATION DE LA STRUCTURE... 66 3.1. LES BORNES DE L’OPTIMISATION... 66 3.2. L’OUTIL CADES... 67 3.3. LES MODELES DE PERTES... 68 3.3.1. Les semi-conducteurs ... 69 3.3.2. Les inductances ... 74 3.3.3. Les condensateurs... 75 3.4. LES MODELES DE VOLUMES... 75 3.4.1. Les inductances ... 75 3.4.2. Les condensateurs... 75 3.4.3. Le refroidissement ... 76 3.5. LES RESULTATS... 77

3.5.1. Maximisation du rendement Européen ... 77 3.5.2. Minimisation du volume ... 79 3.5.3. Vérification des résultats ... 80 3.5.4. Influence des paramètres... 81

4. INTEGRATION DE L’OMBRAGE ... 83

4.1. ETUDE COMPARATIVE... 83

4.1.1. Comparaison de l’impacte de l’ombrage sur deux topologies ... 83 4.1.2. Comparaison de l’impact de 8 cellules PV ombrées ... 84

4.2. ETUDE COMPLETE DE L’OMBRAGE... 86

4.2.1. Le programme Matlab ... 86 4.2.2. Comparaison de l’énergie produite au cours d’une journée... 88 4.2.3. Etude d’un ombrage typique sur une année ... 90 4.2.4. Etude d’un scénario « intégré au bâti » sur les différentes topologies... 92

1. Introduction

L’intégration du photovoltaïque au bâti et au sein même des matériaux de construction conduit à une présence d'ombrages de plus en plus importants sur les installations photovoltaïque. Or, nous avons vu dans le chapitre I que ces ombrages pouvaient avoir des conséquences très importantes sur la quantité d’énergie produite par une installation PV. Une des solutions pour réduire l’impact de ces ombrages est d’introduire de l’électronique au sein du champ PV pour rendre indépendant le plus grand nombre de cellules PV. Nous avons vu dans le chapitre II que le gain important de tension de la topologie « hacheur modulaire parallèle » diminuait le rendement du convertisseur.

Dans ce chapitre nous allons nous intéresser à la topologie de champ PV dénommée « hacheur modulaire série » (cf. chapitre I). Cette topologie présente de nombreux avantages en comparaison des solutions utilisées actuellement (Onduleur central ou onduleur rangée), notamment celle de diminuer le gain en tension par rapport à la topologie développée dans le Chapitre II. Ces avantages et les limites de cette topologie sont détaillés dans la première partie.

Les modules PV utilisés actuellement ont été conçus et développés pour des applications en site isolé. Aucune étude n’a remis en cause la conception historique de ces modules (tension délivrée compatible avec des batteries 12V ou 24V). De ce fait, l’électronique de puissance nécessaire au raccordement réseau n’a jamais été intégrée à la conception d’un module PV et, par conséquent, les modules actuels ne proposent pas ou très peu de solutions pour limiter les effets de l’ombrage sur la production.

La volonté de l’étude que nous allons présenter ici est partant de l’élément de base d’une installation PV, la cellule, d’optimiser l’ensemble "cellule plus électronique de puissance " pour obtenir une installation plus performante.

Une optimisation de la structure va être menée pour réaliser cette co-conception. Cette optimisation a été réalisée avec CADES [DEL07] et a nécessité la connaissance de toutes les équations du convertisseur Boost choisi pour cette application et de l’évolution des pertes et des volumes de chaque composant en fonction de différents paramètres. Des modèles de pertes et de volumes ont donc été établis pour chaque composant en fonction des paramètres d’entrée. Les modèles et l’outil utilisés pour l’optimisation ainsi que les résultats de cette optimisation sont présentés dans la deuxième partie.

La dernière partie de ce chapitre est consacrée à l’étude de l’impact de l’ombrage sur les différentes structures optimisées. Plusieurs scénarios d’ombrages sont étudiés et les résultats sont présentés.

2. La solution retenue.

L’étude bibliographique a fait ressortir quatre points principaux que nous résumons ci-après :

- Le principal problème des installations PV est le problème de l’ombrage, qui diminue fortement la production [KOB01], [NOR09] et [CHA95].

- Aucune étude ne remet en cause la conception historique d’un module PV.

- La mise en cascade de convertisseurs DC/DC (champ modulaire série) semble être une solution prometteuse [WAL04].

- Le Boost semble être la structure la plus adaptée à une mise en cascade.

- La présence d’une isolation galvanique est un handicap (augmentation du poids, du volume et du prix) pour le convertisseur.

Cette étude bibliographique nous a donc amené à étudier une topologie de champ PV de type modulaire série en utilisant comme convertisseur de base le Boost et en remettant en cause le dimensionnement des modules PV actuels.

2.1. Présentation de la solution

La réflexion que nous avons menée a été d’intégrer complètement l’électronique de puissance lors de la conception du module PV. L’élément de base redevient la cellule PV et non le module PV comme c’est généralement le cas dans la bibliographie. Nous avons également désiré trouver une solution qui pourra réduire les impacts des ombrages car cette structure sera dédiée aux installations dites résidentielles dont la puissance est comprise entre 1 et 5kWc et qui sont connectées en monophasées. BOOST BOOST BOOST

DC

AC

Réseau

DC

AC

Réseau

Figure 3-1 : Schéma général de la structure étudiée

La structure choisie est donc une structure modulaire, chaque module PV étant connecté à un convertisseur DC/DC, ici un Boost. Les Boosts sont ensuite connectés en série entre eux. Un bus continu relie les convertisseurs DC/DC à l’onduleur qui réinjecte l’énergie sur le réseau de distribution.

2.1.1. Caractéristiques du circuit

Avant d'aller plus loin dans l'étude de l'ensemble PV-Electronique de puissance voici, ci-après, les hypothèses utilisées :

a - Les modules PV :

Les modules PV sont constitués de n cellules PV connectées en série, la tension Ve est donc égale à n*Vcell. Ce nombre n sera optimisé dans la suite de l’étude.

b - Les convertisseurs DC/DC :

Les convertisseurs DC/DC choisis dans cette étude sont des Boosts, en effet ils possèdent de nombreux avantages décisifs pour cette application [FER06] :

- Le Boost est élévateur de tension, critère primordial pour notre application

- Il présente une entrée inductive apte à réduire le filtrage capacitif en sortie des cellules - Il possède un bon rendement

- Il est de structure simple et peu coûteuse - Il est fiable

- Il peut réaliser la fonction de MPPT

Le nombre de convertisseurs mis en cascade est égal à m, ce paramètre sera également optimisé dans la suite de l’étude. Chaque convertisseur DC/DC réalise le MPPT sur l’ensemble des cellules qui sont connectées à son entrée. La tension Vstot, maintenue constante, est supérieure à la tension crête du réseau de distribution.

c - Le convertisseur DC/AC :

Ce convertisseur ne fait pas partie de l’étude réalisée ici. Néanmoins, il impose certaines contraintes à la structure amont que nous allons identifier. L’entrée du convertisseur DC/AC doit présenter une tension constante, cette tension devant être supérieure à 350V pour qu’il puisse reconstituer la tension sinusoïdale du réseau de distribution. La séparation du convertisseur DC/DC et DC/AC permet une simplification de l’onduleur qui ne possède plus que les fonctions d’interface réseau. V_STot Boost Boost Boost N cellules M convertisseurs V_SBoost V_EBoost V_STot Boost Boost Boost N cellules M convertisseurs V_SBoost V_EBoost

Figure 3-2 : Schéma de la structure à optimiser

La Figure 3-2 représente la structure choisie et les paramètres qui doivent être optimisés dans la suite de ce travail.