Conception d’une commande MPPT optimale à base d’intelligence artificielle d’un système photovoltaïque.

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Nedjma Aouchiche

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Nedjma Aouchiche. Conception d’une commande MPPT optimale à base d’intelligence artificielle d’un système photovoltaïque.. Autre. Université Bourgogne Franche-Comté, 2020. Français. �NNT : 2020UBFCA001�. �tel-02902953�

THESE DE DOCTORAT DE L’ETABLISSEMENT UNIVERSITE BOURGOGNE FRANCHE-COMTE PREPAREE A Université de Technologie de Belfort-Montbéliard

Ecole doctorale n° 37

Sciences Physiques pour l’Ingénieur et Microtechniques- SPIM

Doctorat de Génie électrique

Par

AOUCHICHE NEDJMA

Conception d’une commande MPPT optimale à base d’intelligence artificielle d’un système photovoltaïque.

Thèse présentée et soutenue à Belfort, le 28 Janvier 2020.

Composition du Jury :

M. HILAIRET Mickael Professeur des universités UFC - IUT Belfort-Montbéliard Président du jury M. AITOUCHE Abdel Professeur des universités Université de Lille, Science et

Technologie

Rapporteur M. RODRIGUEZ Pedro Professeur des universités Centrale Supelec Paris Rapporteur M. RAZEK Adel Directeur de recherche émérite Centrale Supelec Paris Examinateur Mme. VLAD Cristina Maitre de conférences Centrale Supelec Paris Examinatrice M. BECHERIF Mohamed Maitre de Conférences HDR Université de Technologie de

Belfort-Montbéliard

Directeur de thèse

Résumé : La performance du système photovoltaïque connecté au réseau est fortement affectée par les conditions environnementales auxquelles est soumis tels que les variations atmosphériques aléatoires. Le travail de cette thèse vise à améliorer les performances des contrôleurs du hacheur DC/DC et l’onduleur PV face aux changements climatiques brutaux. A cet effet, la première partie de cette thèse est consacrée à l’étude comparative entre les algorithmes de de recherche de point de puissance maximale (MPPT) suivants : (i) l’algorithme de l’incrémentale de conductance (IC), la logique floue (FL) et l’algorithme d’optimisation d’essaim de particules (PSO). Ces algorithmes sont testés sous diverses conditions atmosphériques telles que l’ombrage partiel et évaluées en termes d’efficacité, de stabilité, de rapidité et de robustesse. D’après les résultats de la simulation, la PSO est meilleure par rapport à IC et FL, particulièrement durant l’ombrage partiel.

La seconde partie de cette thèse a pour but l’amélioration de l’efficacité du système de contrôle DC/AC qui comprend une boucle interne de contrôle de tension de liaison DC (VDC) et une boucle de contrôle externe pour la régulation des courants directs et en quadrature (Id, Iq) fournis par la PLL. Chacune de ces deux boucles comprend un contrôleur PI dont les gains sont optimisés en utilisant des techniques méta-heuristiques afin d'améliorer les performances dynamiques du système PV triphasé connecté au réseau. Par conséquent, une étude comparative est effectuée pour les techniques méta-heuristiques proposées telles que : (i) l’algorithme d’optimisation des baleines à bosse (WOA), (ii) l’algorithme d’optimisation des loups gris (GWO), (iii) l’algorithme d’optimisation des fourmilions (ALO) et (iv) de l’algorithme d’optimisation Hétérocère-Flamme (MFO). Les résultats obtenus, via MatlabTM-Simulink, révèlent que la technique WOA proposée est plus performante que les autres techniques étudiées en termes d’efficacité et de stabilité et qui permet d’optimiser les gains des contrôleurs PI afin d’obtenir les meilleures valeurs de facteur de puissance et de THD.

Title : Conception of optimal MPPT controller based artificial intelligence of a Photovoltaic system. Keywords : Photovoltaic, Inverter, MPPT, Optimization, meta-heuristic.

Abstract : The grid connected the photovoltaic system performance is strongly affected by the environmental conditions that undergoes, such as random atmospheric variations.

This thesis work aims to improve the DC / DC converter and the PV inverter controllers’ performance against brutal climatic fluctuations. Therefore, the first part of this thesis is devoted to the comparative study between the following maximum power point tracking algorithms (MPPT): (i) the algorithm of the Incremental of Conductance (IC), (ii) Fuzzy Logic (FL) and (iii) Particle Swarm Optimization algorithm (PSO). These algorithms are tested under various atmospheric conditions such as partial shading and evaluated in terms of efficiency, stability, speed and robustness. According to the simulation results, PSO is superior than IC and FL, especially during partial shading.

The second part of this thesis deals with improving the efficiency of the DC / AC control system which includes an internal DC link voltage control loop (VDC) and an external control loop for direct current regulation and in quadrature (Id, Iq) provided by the PLL. Each of these two loops includes a PI controller whose gains are optimized using meta-heuristic techniques to improve the dynamic performance of the three-phase PV system connected to the network. Therefore, a comparative study is carried out for proposed meta-heuristics techniques such as: (i) whale optimization algorithm (WOA), (ii) gray wolf optimization algorithm (GWO) (iii) the Ant-Lion Optimization algorithm (ALO) and (iv) of the Moth-Flame Optimization algorithm (MFO). The results obtained, via MatlabTM-Simulink, reveal that the proposed WOA technique performance is relevant than the other studied techniques in terms of efficiency, robustness and stability which optimizes the PI controllers gains in order to obtain the best power factor and THD values.

REMERCIEMENT

Je tiens à remercier Monsieur Mohamed BECHERIF, Maitre de Conférences HDR à l’Université de Technologie Belfort Montbéliard (UTBM) d’avoir accepté de diriger ma thèse de doctorat. Je remercie vivement Monsieur Mohamed Ahmed IBRAHEEM, Maitre de Conférences à la Faculté de l’engineering Shoubra, Université de Banha, pour l’aide précieuse qu’il m’a apporté. Je remercie aussi Monsieur Daniel HISSEL, Professeur et Directeur du FCLAB/ UTBM de m’avoir permis de passer mon stage au laboratoire FEMTO-ST de l’UTBM.

Je tiens également à exprimer ma gratitude à Monsieur le président de jury d’avoir accepté de présider ce jury de ma soutenance.

Je suis très reconnaissante quant à l’honneur que m’ont fait Monsieur Mickael HILAIRET, Professeur des universités à UFC - IUT Belfort-Montbéliard, Monsieur Abdel AITOUCHE, Professeur des universités à Université de Lille- Science et Technologie, Monsieur Pedro

RODRIGUEZ, Professeur au CentraleSupelec, Monsieur Adel RAZEK, Directeur de recherche

émérite au CentraleSupelec et Madame Cristina VLAD, Maitre de Conférences au CentraleSupelec, en acceptant d’être les membres du jury de cette thèse et d’évaluer ce travail. J’adresse mes sincères remerciements à ma sœur Madame Dalila AOUCHICHE et à toute personne qui m’a aidé et encouragé pour réaliser ce travail.

TABLE DES MATIERES

INTRODUCTION GENERALE ...01

1 SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE ...04

1.1 Introduction ...04

1.2 Evolution du marché mondial de l’énergie photovoltaïque ...04

1.3 Système Photovoltaïque ...05

1.3.1 Générateur PV ...06

1.3.1.1 Effet photovoltaïque ...06

1.3.1.2 Rayonnement solaire ...07

1.3.2 Cellule PV ...08

1.3.2.1 Caractéristiques électriques d’une cellule PV ...09

1.3.2.2 Circuit électrique équivalent de la cellule PV ...10

1.3.3 Module PV ...13

1.3.3.1 Modèle mathématique d’un module photovoltaïque ...14

1.3.3.2 Influence de l’éclairement et température sur le comportement du module PV ...14

1.3.3.3 Effet de l’ombrage partiel sur le fonctionnement du module PV ...16

1.3.3.4 Assemblage des modules PV ...17

1.4 Système PV raccordé au réseau électrique ...18

1.4.1 Eléments constituants le système PV raccordée au réseau ...18

1.5 Conclusion ...19

2 CONVERTISSEURS CONTINU/ CONTINU ET CONTINU/ALTERNATIF ...20

2.1 Convertisseur DC/DC ...20

2.1.1 Convertisseur abaisseur (Buck) ...21

2.1.2 Convertisseur élévateur (Boost) ...23

2.1.3 Convertisseur élévateur - abaisseur (Buck-Boost) ...24

2.1.4 Convertisseur Ćuk ... 26

2.2 Onduleur PV ...28

2.2.1 Onduleurs sans transformateurs ...29

2.2.1.1 Onduleur PV dérivé de la topologie demi pont (H-Bridge (HB)) ...29

2.2.1.2 Structures d’onduleurs clampés par le neutre NPC ...30

2.2.1.3 Onduleur Multicellulaire Série (FC) ...31

2.2.2 Onduleurs avec transformateur ...32

2.2.2.1 Onduleur FB avec transformateur de haute fréquence HF ...32

2.2.2.2 Onduleur HB avec transformateur de basse fréquence BF ...33

2.2.4 Onduleurs triphasés ...35

2.2.4.1 Onduleurs en pont triphasé avec convertisseur Boost ...36

2.2.4.2 Contrôle du fonctionnement d’un onduleur de tension triphasé ...36

2.2.4.3 Boucle à verrouillage de phase (PLL) ...39

2.3 Conclusion ...42

3 TECHNIQUES DE RECHERCHE DU POINT DE PUISSANCE MAXIMALE (MPPT) ...43

3.1 Introduction ...43

3.2 Méthode de l’incrémentation de conductance (IC) ...44

3.3 Algorithme de la logique floue (FL) ...46

3.4 Optimisation d’essaim de particules (PSO) ...48

3.5 Résultats de simulation ...51

3.5.1 Description du modèle de système PV connecté au réseau ...51

3.5.2 Cas des conditions uniformes et constantes de l’éclairement et de température ...54

3.5.3 Cas de variation des conditions atmosphériques ...54

3.5.4 Cas de l’ombrage partiel ...56

3.6 Conclusion ...58

4 Optimisation méta-heuristique des contrôleurs PI de courant Direct et de la tension de l’onduleur PV connecté au réseau ...60

4.1 Introduction ...60

4.2 Système PV connecté au réseau proposé dans l’étude ...60

4.2.1 Boucle à verrouillage de phase (Phase-Locked Loop (PLL)) ...63

4.3 Indices de performance ...63

4.4 Approches d’optimisation méta-heuristique ...64

4.4.1 Algorithme d’Optimisation de Baleine (WOA) ...64

4.4.2 Algorithme d’Optimisation des Loups Gris (GWO) ...68

4.4.3 Algorithme d’Optimisation des Fourmilions (ALO) ...71

4.4.4 Algorithme d’optimisation Hétérocère-Flamme (MFO) ...75

4.5 Résultats de simulations ...78

4.6 Conclusion ...84

CONCLUSION GENERALE ...86

REFERENCES ...88

LISTE DES FIGURES

Figure 1.1 – Puissance des installations ajoutées par différentes sources d’énergie en 2018 ...04

Figure 1.2 – Evolution de la capacité des PV cumulatifs installés globaux 2000-2018 (MW) ...05

Figure 1.3 – Schéma générateur photovoltaïque connecté au réseau. ...06

Figure 1.4 – Répartition spectrale du rayonnement. ...07

Figure 1.5 – Schéma de bandes d’énergies des différents matériaux ...09

Figure 1.6 – Structure d’une cellule PV. ...09

Figure1.7 – Circuit électrique équivalent d’une cellule PV ...11

Figure1.8 – (a) Caractéristiques I(V) et (b) la représentation classique de courbe I-V d’une cellule PV ...12

Figure 1.9 – Module PV de Np branches parallèles ayant chacune Ns cellule en séries. ...14

Figure1.10 – Influence de l’éclairement et de la température sur I= f(V) et P=f(V) ...15

Figure 1.11 – Courbe de I(V) et P(V) d’un générateur PV de 100 kW ...16

Figure 1.12 – Configuration de câblage des modules PV ...17

Figure 2.1 – Symbole d’un hacheur DC/DC ...20

Figure 2.2 – Circuit électrique de Hacheur abaisseur ...21

Figure 2.3 – Forme d'ondes des tensions et des courants d’entrée et de sortie du « Buck » en fonction du rapport cyclique D et la période Ts ...22

Figure 2.4 – Convertisseur élévateur (Boost). ...23

Figure 2.5 – Tensions et courants d’entrée et de sortie en D et Ts pour un Boost ...23

Figure 2.6 – circuit équivalent du convertisseur Buck-Boost ...24

Figure 2.7 – Tensions et courants du convertisseur Buck-Boost ...25

Figure 2.8 – Convertisseur Ćuk ...26

Figure 2.9 – Signaux de tensions et de courants du convertisseur Ćuk ...27

Figure 2.10 – Topologies des onduleurs PV ...28

Figure 2.11 – Onduleur FB Basique ...30

Figure 2.12 – Onduleur clampé par le neutre (NPC) à demi-pont ...31

Figure 2.13 Onduleur FC à 3 Niveaux ...32

Figure 2.14 – Onduleur doté d’un hacheur boost avec un transformateur HF à pont HB ...33

Figure 2.15 – Onduleur doté d’un hacheur boost avec un transformateur LF à pont HB ...34

Figure 2.17 – Les signaux de tension de l’onduleur triphasé : (a) Signaux de modulation ; (b, c) Etats

de S1 etS3 ; (d) Tension ACde sortie ...38

Figure 2.18 – Structure de la PLL ...40

Figure 2.19 – Schéma de fonctionnement de la PLL ...40

Figure 2.20 – Repère de référence ...42

Figure 3.1 – Organigramme de l’algorithme de l’incrémentale de la conductance ...45

Figure 3.2 – Fonctions d’appartenance des variables d’entrée (E, CE) et de sortie (dD)...47

Figure 3.3 – Organigramme de la IC et de FL ...48

Figure 3.4 – Organigramme de la PSO ...50

Figure 3.5 – Système PV de 100 kW connecté au réseau ...52

Figure 3.6 – Modèle du système PV de 100 kW simulé sous Matlab ...53

Figure 3.7 – Réponse Dynamique du système PV de 100 kW connecté au réseau sous différentes conditions atmosphériques ...55

Figure 3.8 – Courbes I-V et P-V du générateur PV de 100 kW ...57

Figure 3.9 – Performance dynamique du système PV de 100 kW connecté au réseau sous ombrage partiel ...58

Figure 4.1 – Système PV de 100kW raccordé au réseau électrique ...61

Figure 4.2 – Système de contrôle de l’onduleur triphasé ...62

Figure 4.3 – Boucle à verrouillage de phase (PLL) ...63

Figure 4.4 – Organigramme de l’algorithme WAO ...65

Figure 4.5 – Chasse à bulles spirale des baleines à bosse ...66

Figure 4.6 – Organigramme de l’algorithme GWO ...69

Figure 4.7 – Mise à jour des positions des loups ...70

Figure 4.8 – Comportement de la meute des loups gris lors de la chasse : (A) Poursuite de la proie, (B-D) harcèlement et encerclement, (E) Position d’attaque ...71

Figure 4.9 – Attitude de prédation du fourmilion : (a) fourmilion, (b) la forme de piège ...72

Figure 4.10 – Organigramme de l’algorithme ALO ...74

Figure 4.11 – Déplacement des hétérocères : (a) Orientation transversale, (b) mouvement spiral autour de la source de lumière ...75

Figure 4.12 – Organigramme de l’algorithme MFO ...77

Figure 4.13 – Trajet en spirale logarithmique des hétérocères dans l’espace de recherche ...78

Figure 4.14 – Analyse FFT du courant injecté au réseau : (a) GWO, (b) ALO, (c) WOA, (d) MFO ....80

Figure 4.15 – Réponse dynamique des courants direct et quadrature et la tension continue ...81

TABLEAUX

Liste des Tableaux

Tableau 2.1 – Avantages et inconvénients des onduleurs proposés ...34

Tableau 2.2 – Etats de fonctionnement pour un onduleur triphasé de tension ...37

Tableau 3.1 – Règles de la FL ...47

Tableau 3.2 – Paramètre de l’algorithme PSO ...49

Tableau 3.3 – Caractéristiques du module PV. ...52

Tableau 3.4 – Performances dynamiques pour les techniques MPPT durant [0s, 5s]. ...54

Tableau 3.5 – Performances idéales du champ PV sous différents cas d’ombrage partiel...58

Tableau 3.6 – Paramètres statistiques du système PV sous ombrage partiel...52

Tableau 4.1 – Paramètres caractérisant le système PV connecté au réseau proposé ...60

Tableau 4.2 – Paramètres des approches méta-heuristiques ...64

A : Ampère

ALO : Antlions Optimization algorithm

ANFIS : System d’inférence neuro-Floue Adaptif BL : Bridge linked

CE : Variation de l’erreur Cp, dD

: variation du pas de rapport cyclique D : Rapport cyclique

E : Erreur

EMI : Electromagnetic interference

FB : Full-bridge FC : Flying Capacitor FF : Facteur de forme

FFT : Transformée de Fourier rapide

FL-IC : Logique floue basée incrémentation de conductance GWO : Gris wolves optimization

HB : Honey comb

HB : Half-bridge

Hi : Harmonique de rang i Hz : Hertz

IC : Incrémentation de conductance ICC : Courant de court-circuit (A)

Id1 : Courant de génération-recombinaison ou d’effet tunnel dans la zone de charge d’espaces (A)

Id2 : Courant de diffusion dans les zones neutres(A) Im : Courant optimal (A)

Iph : Courant de photo-génération (A) IPV : Courant photovoltaïque

ISi : Courant de saturation (A) IC : Courant de la capacité iL : Courant de l’inductance iO : Courant d’entrée du hacheur iS : Courant de sortie du hacheur k : Constante de Boltzmann (JK-1₎

L : Inductance

MFO : Algorithme d’optimisation hétérocère-flamme MLI : modulation de largeur d’impulsion

MPP : Maximum power point

MPPT : Maximum power point tracking Ma : Indice de modulation

Mf : Indice de fréquence NPC : Neutral point clamped

Nr : Nombres de cellules PVs raccordées en série n1 : Facteur d’idéalité de la diode 1

n2 : Facteur d’idéalité de la diode 2 OP : Ombrage partiel

PLL : Phase-locked loop

P&O : Perturbation et observation PPV : Puissance photovoltaïque (kW) PSO : Optimisation d’essaim de particules

PWM : Pulse Width Modulation

Pti : Modèle d’ombrage partiel numéro i PV . Photovoltaïque q : Charge de l’électron (C) Rs : Résistance série (Ω) Rp : Résistance shunt (Ω) SP : Série-parallèle T : Température de jonction (K) TCT : Total cross tied

THD : Total harmonic distortion Ts : Période de commutation

V : Volt

VL : Tension aux bornes de l’inductance Vm : Tension optimale (V)

VO : Tension de sortie du hacheur VPV : Tension photovoltaïque (V) VS : Tension d’entrée du hacheur VOC : Tension de circuit ouvert (V)

W : Watt

1

INTRODUCTION GÉNÉRALE

La consommation énergétique mondiale est principalement couverte par les énergies fossiles

1

(pétrole, charbon, gaz naturel et nucléaire) qui ont un effet négatif sur l’environnement [1–4].

2

Le changement climatique, qui fait partie des graves problèmes auxquels l'humanité est

3

confrontée au cours de ce siècle, est dû aux émissions de gaz à effet de serre, en particulier de

4

la combustion d'énergie fossile [1,2]. Vue l’évolution du niveau de vie actuelle de l’être humain,

5

la demande croissante de l’énergie a permis un développement remarquable des énergies

6

renouvelables, telles que les énergies photovoltaïque (PV), thermique, hydraulique… etc. Ces

7

énergies propres et durables sont devenues d’une grande importance car elles sont considérées

8

comme une alternative aux énergies fossiles qui connaissent une décroissance, ce qui rejoint

9

les objectifs du protocole de Kyoto [4,5].

10

Au cours de la dernière décennie, l’énergie PV est devenue une source d’énergie fiable avec un

11

taux de production et un coût de maintenance en constante diminution grâce au progrès de la

12

technologie et de l’évolution du marché PV [6,7]. En 2018, le marché du PV a non seulement

13

dépassé le niveau annuel de 100 GW mais il a également atteint plus de 0,5 TW de capacité

14

d'énergie PV [6].

15

Le développement de la technologie de l’électronique de puissance et l’introduction de la

16

numérisation dans le domaine PV ont permis l’évolution rapide des applications PV et

17

particulièrement, les systèmes PV connectés au réseau électrique qui sont passés de quelques

18

kW à une centaine de MW. A cet effet, ces systèmes PV doivent répondre à une série de

19

standards internationaux afin d’assurer la sécurité du transfert de l’énergie vers le réseau

20

électrique. Parmi ces standards, on peut citer :

21

 IEC61727 et IEEE 1547 -2003, qui contrôlent la qualité de puissance injectée et le taux de

22

distorsion des harmoniques (Total harmonique distorsion (THD)) et vérifient les

23

interconnexions entre générateurs PV et réseau électrique.

24

 CEI61000 détermine les valeurs limites des courants harmoniques tolérables à injecter dans le réseau

25

public.

26

La première partie de cette thèse propose d’étudier la commande de poursuite de point de

27

puissance (Maximum Power Point Tracking (MPPT)) de l’étage DC/DC sous différentes

28

conditions atmosphériques contraignantes telles que l’ombrage partiel. Ce thème a fait l’objet

INTRODUCTION GENERALE

2 de beaucoup d’études. Parmi les articles cités dans la littérature, on cite : Anowar et al. (2017)

30

qui ont modifié technique MPPT classique appelée algorithme de la conductance incrémentale

31

(incremental conductance algorithm (IC)) en insérant un régulateur intégral afin de contrôler le

32

rapport cyclique du convertisseur boost [8]. Les résultats de simulation ont vérifié l’efficacité

33

de la méthode proposée. Ziane et al. (2017) ont présenté l’algorithme MPPT basé sur la FL. Cet

34

algorithme a été comparé à une autre méthode MPPT classique qui est la IC en termes de

35

rapidité et de précision [9]. Laagoubi et al. (2017) ont Proposé deux commandes à base de la

36

FL, l’une est une commande MPPT et l’autre est une commande qui contrôle le courant injecté

37

par l’onduleur triphasé dans réseau [10]. Soufi et al. (2017) ont suggéré une technique MPPT

38

combinant la FL avec l’algorithme d’optimisation des essaims de particules (PSO) qui a la

39

capacité de poursuivre rapidement le MPP sous différentes conditions environnementales [11].

40

Dans notre travail, on a suggéré l’algorithme d’optimisation des essaims de particules (PSO)

41

qui permettra au point de fonctionnement d’atteindre rapidement le point de puissance

42

maximale (MPP) sous diverses conditions climatiques comme le l’ombrage partiel.

43

La seconde partie de ce travail est consacrée à l’amélioration des contrôleurs PI de l’étage

44

DC/AC qui permet une injection souple de l’énergie issue du générateur PV dans le réseau

45

électrique, sans distorsion ni déphasage du courant AC. Plusieurs travaux de recherches ont été

46

réalisés dans ce domaine. Parmi ces articles, il y a : Hamrouni et al. (2017) qui ont proposé une

47

approche d'un système de contrôle PV connecté au réseau, qui a pour but de fournir une

48

puissance PV optimale d’améliorer la qualité de courant injecté dans le réseau. La commande

49

développée combine les boucles de commande de courant et de tension de la liaison DC en

50

utilisant des régulateurs classiques de type proportionnels intégraux (PI) [12]. Dhar et al. (2016)

51

ont développé un nouveau modèle de commande appelée commande non linéaire par mode

52

glissant récursif à temps fini (finite time backstepping sliding mode control (FTBFSMC)). Cette

53

commande est implémentée en termes de puissance réactive et de la tension PV. L’objectif du

54

travail est d’atteindre une performance dynamique et de filtrage efficace du système

PV-55

onduleur proposé pour une meilleure fiabilité et une haute qualité de puissance [13]. Lakshmi

56

et al. (2016) ont présenté une commande découplée du système PV connecté au réseau à base

57

de régulateurs de type PI d'ordre fractionnaire (Fractional Order Proportional–Integral (FOPI)).

58

La stratégie de commande découplée adoptée dans cette étude permet un contrôle indépendant

59

de la puissance active et de la puissance réactive en fonction de l’énergie générée par le système

60

PV et l’énergie consommée par le réseau de distribution [14]. Malek et al. (2014) ont mis au

3 point une commande en boucle fermée à base de régulateur PI d'ordre fractionnaire. Les

62

résultats de l’étude comparative proposée, avec une commande à base de régulateurs PI

63

classiques, a révélé que les performances Système PV connecté du réseau sont améliorées en

64

utilisant le régulateur d'ordre fractionnaire [15]. Farhat et al. (2017) ont présenté un nouveau

65

contrôleur PI-GA du courant et de la tension de liaison DC qui commande le total actif et réactif

66

de la puissance fournie par le système PV au réseau de distribution. Les valeurs de gain des

67

régulateurs PI-GA sont ajustées en appliquant l’algorithme génétique (Génétic Algorithm

68

(GA)) [16].

69

Le but de cette partie de la thèse est d’ajuster les gains des contrôleurs PI de la boucle de

70

courant et de la boucle de tension DC de l’onduleur en appliquant une technique d’optimisation

71

méta-heuristique. A cet effet, nous avons proposé quatre algorithmes basés sur des approches

72

méta-heuristiques. Ensuite, nous avons effectué une étude comparative entre ces algorithmes

73

qui permet d’avoir l’algorithme le plus performant en termes d’efficacité, stabilité et robustesse.

74

La modélisation du système PV connecté au réseau et les simulations ont été réalisées sous

75

MatlabTM_/Simulink®.

76

La suite de de la thèse comprend le premier chapitre qui traite de la chaine de conversion PV.

77

Le modèle mathématique de la cellule PV et du module PV sera donné. Le deuxième chapitre

78

sera consacré au convertisseur DC/DC et à l’onduleur PV. On citera quelques types de ces

79

dispositifs les plus connus sur le marché. On explicitera le fonctionnement de l’hacheur DC/DC

80

et de l’onduleur triphasé. Le troisième chapitre sera dédié à l’étude comparative sous différente

81

conditions atmosphériques des quatre méthodes MPPT sélectionnées. On commencera par la

82

présentation de ces méthodes MPPT choisies à savoir : l’incrémentale de conductance (IC), la

83

FL et la PSO. Ensuite, on présentera les résultats des simulations qui permettront d’évaluer les

84

performances des algorithmes proposés à l’étude. Le quatrième chapitre propose l’optimisation

85

méta-heuristique des contrôleurs PI de courant Direct et de la tension VDC de l’onduleur PV

86

connecté au réseau. On donnera le modèle du système PV connecté au réseau proposé dans

87

l’étude. Ensuite, on passera en revue les approches méta-heuristiques sélectionnées (WOA,

88

ALO, MFO, GWO). Enfin, on arrivera à l’étape des simulations et d’évaluation des

89

performances des algorithmes proposés. Grace aux résultats obtenus, on pourra déterminer

90

l’algorithme le plus performant des quatre proposés. La thèse se terminera par une conclusion

91

générale qui discutera des objectifs de ce travail et récapitulera les résultats des simulations

92

obtenus. On parlera aussi des perspectives à venir.

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

4

CHAPITRE 1 :

SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE

94

1.1 Introduction 95

L’énergie photovoltaïque (PV) est une énergie durable pouvant être une énergie alternative aux

96

énergies fossiles. A cet effet, elle est considérée par les chercheurs dans le but de satisfaire les

97

besoins futurs en matière d’énergie. Actuellement, la technologie de fabrication de modules PV

98

est énormément améliorée en termes de qualité et du coût de fabrication [17–19].

99

Ces atouts ont sollicité l’intérêt de la classe politique ainsi que de la communauté scientifique à

100

lancer et financer un nombre important de travaux de recherche dans différents axes afin de

101

promouvoir ce domaine et de créer une nouvelle richesse. Ce développement se concrétise par la

102

réduction du coût de fabrication des modules PV ainsi que les travaux de recherche qui ont permis

103

de promouvoir l’électronique de puissance. Par conséquent, la mise en œuvre des installations PV,

104

plus particulièrement celles de petites puissances raccordées au réseau Basse Tension (BT) sont

105

apparues progressivement. Un grand intérêt est accordé à l’onduleur utilisé dans un système PV

106

connecté au réseau de distribution d’électricité car ses propriétés techniques peuvent influencer la

107

qualité de la production d’énergie électrique et en conséquence la rentabilité financière d’un

108

système PV [17].

109

1.2 Evolution du marché mondial de l’énergie photovoltaïque 110

Fig. 1.1 Puissance des installations ajoutées par différentes sources d’énergie en 2018 [6]. 111

5 En 2018, le domaine de l’énergie PV a connu une progression remarquable en termes de capacité

112

d’installations à travers le monde par rapport aux autres types d’énergies (Fig. 1.1) [6]. Cependant,

113

sa part totale des énergies renouvelables ne représente que 33 % de la puissance mondiale totale

114

en 2017 donc il reste un chemin à faire avant qu’elle ne soit considérée comme une réelle

115

alternative aux énergies fossiles [20].

116

Fig. 1.2 Evolution de la capacité des installations PV cumulatifs installés globaux 2000-117

2018 (MW) [6]. 118

La technologie PV a connu un taux de développement historique, aussi durant les périodes

119

économiques difficiles ce qui fait d’elle une des sources principales de génération d’énergie dans

120

le monde. Le marché solaire PV global est passé de 5 MW en 1982 pour atteindre un record de

121

102.4 GW en 2018 [6].

122

En 2018, la Chine reste le premier mondial en termes d’installations PV cumulées (34 %) suivie

123

des USA (12 %), Japon (11 %) et l’Allemagne (9 %). Plusieurs marchés en dehors de l’Europe

124

n’ont réservé qu’une petite part de leurs potentiels à ce type d’installations. Cependant,

125

l’expérience est à ses débuts dans ce domaine pour la plupart des pays en voie de développement

126

à savoir les pays africains, le moyen orient, le sud-est asiatique et l’Amérique latine [6].

127

1.3 Système Photovoltaïque 128

Le générateur PV est un ensemble d’équipements connectés pour exploiter l’énergie PV afin de

129

satisfaire les besoins en charge. En fonction de la puissance désirée, les panneaux peuvent être

130

assemblés pour constituer un "champ PV". Relié au récepteur sans autre élément, le panneau

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

6 solaire fonctionne "au fil du soleil", c'est-à-dire que la puissance électrique fournie au récepteur

132

est fonction de la puissance d'ensoleillement [21].

133

Mais, très souvent, les besoins en électricité ne correspondent pas aux heures d'ensoleillement mais

134

à d’autres moments qui nécessitent une intensité régulière (éclairage ou alimentation de

135

réfrigérateurs, par exemple). On dote alors le système de batteries qui permettent de stocker

136

l'électricité et de la rétablir en cas de nécessité.

137

Un régulateur est alors essentiel pour parer aux problèmes de surcharges ou les décharges

138

profondes de la batterie.

139

Pour un certain nombre d'applications, le courant continu produit, par le générateur PV, est

140

converti à l'aide d'un onduleur PV en courant alternatif.

141

Fig. 1.3 Schéma synoptique d’un système PV connecté au réseau. 142

1.3.1 Générateur PV 143

C’est un dispositif qui transforme l’énergie PV en électricité. Selon la puissance crête désirée, ce

144

générateur PV est constitué d’un certain nombre de modules assemblés entre eux en série ou en

145

parallèle.

146

1.3.1.1 Effet photovoltaïque 147

L’effet PV ou la conversion photovoltaïque est la transformation directe d’une énergie

148

électromagnétique (rayonnement). Ce phénomène se produit lorsqu’un corps semi-conducteur est

149

exposé à la lumière du soleil, ses atomes réagissent aux photons constituant la lumière. A cet effet,

150

les électrons des couches électroniques supérieures (appelés électrons des couches de valence) ont

151

tendance à se décrocher. Dans les cellules PV, les électrons " décrochés " créent une tension

152

électrique continue et faible [18].

7 L’effet PV constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie

154

électrique au moyen de cellules PV. Pour avoir une puissance suffisante, les cellules sont

155

interconnectées afin de produire un module PV ou un champ PV.

156

1.3.1.2 Rayonnement solaire 157

Le soleil est une étoile âgée de 4,5 milliards d’années et elle est distante d’environ 150 millions de

158

kilomètres de la Terre. L’énergie du soleil est issue de réactions thermonucléaires se produisant

159

en permanence dans son noyau [22].

160

Le soleil représente le centre du système solaire auquel appartient notre planète la Terre. Cette

161

étoile qui nous procure de la chaleur et de la lumière, est une source d’énergie abondante

162

disponible, renouvelable et propre. Le soleil produit une puissance d’environ 1.7 1023 _{kW. Une}

163

partie de cette puissance alimente la terre, elle est de l’ordre de 8.5 1013 _{kW ; Uniquement 70%}

164

(environ 6 1013 kW) de cette puissance pénètre l’atmosphère. Le soleil nous envoie de l’énergie

165

sous forme de rayonnement électromagnétique. La longueur d’onde du rayonnement varie de

166

0.22µm à 10 µm. La Fig. 1.4 représente la variation de la répartition spectrale de ce rayonnement

167

[17,22,23]. Le rayonnement solaire incident à la limite de l’atmosphère est égal à 342 W.m-2_{. La}

168

surface terrestre n’absorbe que 168 W.m-2_{, ce rayonnement est composé de 60 % de rayonnement}

169

direct et 40 % sous forme de rayonnement diffus [6].

170

171

Fig. 1.4 Répartition spectrale du rayonnement [24]. 172

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

8

1.3.2 Cellule PV 173

La cellule PV est fabriquée à base d’un semi-conducteur caractérisé par une bande de conduction

174

et une bande de valence. Comme le montre la Fig. 1.5, ces deux bandes sont séparées par une

175

bande appelée bande interdite. Comme tous les matériaux, un semi-conducteur a son propre niveau

176

de Fermi (Ef) qui correspond au potentiel électrochimique ou au travail de sortie des électrons

177

dans le solide [25,26]. Le niveau de fermi se situe entre la bande de conduction et une bande de

178

valence. Afin que l’électron puisse passer de la bande de valence à la bande de conduction, il a

179

besoin d’une énergie issue du photon de lumière. Cette énergie doit être supérieure à l’énergie de

180

transition dite de gap qui lui permet de traverser la bande interdite pour atteindre la bande de

181

conduction [25,26]. La cellule PV n’absorbe que 25 %, au mieux, de la lumière du soleil. En effet,

182

la lumière du soleil est composée de différentes radiations, et il faut que le rayonnement ait une

183

énergie suffisamment élevée pour arracher les électrons à la cellule PV. Cependant, si on

184

choisissait un matériau avec un gap plus petit pour pouvoir utiliser plus de photons de la lumière

185

du soleil, on aurait une tension plus petite. Le gap optimal aurait une valeur de 1,4 ev. De plus, les

186

électrons doivent circuler d’un côté de la cellule à l’autre à travers un circuit externe. On peut donc

187

recouvrir le dessous de la cellule avec un métal très bon conducteur qui doit aussi ne pas subir des

188

phénomènes de corrosion ; mais si on recouvrait le dessus, on bloquerait les photons. La solution

189

trouvée est de placer une grille métallique sur le dessus de la cellule. Aussi, le silicium est très

190

réflecteur, on place donc un revêtement anti-réflexion sur le dessus de la cellule. Son rôle est de

191

capter le maximum de soleil. Une couche de verre de quelques millimètres protège la cellule. Le

192

noyau de la cellule est formé de deux :'une couche semi-conductrice est dopée négativement (N)

193

l’autre couche est dopée positivement (P). Ces deux couches forment la jonction P-N (Fig. 1.6)

194

qui crée un champ électrique. Ce champ électrique crée un photo-courant en séparant les paires

195

d’électrons et de trous qui tendent à se recombiner en créant une énergie thermique. Le champ

196

électrique réduit l’effet négatif de recombinaison des paires de trous et d’électrons mais il ne peut

197

pas l’éliminer car il est dû à la qualité du matériau utilisé qui est symbolisée par le facteur d’idéalité

198

n. Ainsi, le facteur d’idéalité représente la fréquence de recombinaison du matériau [25,26]. La

199

puissance produite par une cellule PV reste trop faible. Pour atteindre une puissance suffisante, les

200

cellules PV sont interconnectées et forment le module PV.

9

Fig. 1.5 Schéma de bandes d’énergies des différents matériaux [26]. 202

Fig. 1.6 Structure d’une cellule PV [27]. 203

1.3.2.1 Caractéristiques électriques d’une cellule PV 204

Dans le cas idéal, le courant délivré par la cellule PV [28–30] s'écrit :

205

I

 

V



I

(

V

)



I

(

V

)

206

 Iph : densité de courant photo-généré

207

 Iobsc : densité de courant d'obscurité.

208

 V : la tension de cellule PV.

209

Dans le cas d’obscurité, I(V) obéit à l’équation du courant de la diode Schottky suivante [29,30]:

210

 

 ID : courant de la diode Schottky.

212

L’équation (1.1) peut être écrite sous la forme suivante [28–30]:

213

 

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

10  IS : Le courant de saturation de la diode.

215  q : La charge élémentaire. 216  k : Constante de Boltzmann. 217  T : La température. 218

 n : Le paramètre intrinsèque de l’idéalité de la diode.

219

1.3.2.2 Circuit électrique équivalent de la cellule PV 220

La Fig. 1.7 montre le modèle électrique de la cellule PV réelle. Le circuit est constitué de [7,31,32]:

221

 Générateur de courant Iph, correspondant au courant photo-généré.

222

 Rs est une résistance série liée à la résistivité volumique et à l’impédance des électrodes et

223

des matériaux. La pente de la courbe courant-tension au point Voc représente l’inverse de

224

la résistance série (1/Rs).

225

 Rp est une résistance shunt liée aux effets de bord et aux recombinaisons volumiques. La

226

pente de la courbe I(V) au point Icc représente l’inverse de la résistance shunt (1/Rp).

227

 Diodes D1 et D2.

228

D’après la Fig. 1.7, nous avons considéré le modèle électrique à deux diodes de la cellule PV

229 donné par : 230 P S D D ph R R I V I I I V I( )  1 2   (1.4) 231

Le modèle mathématique de schéma électrique de la cellule PV est données par [32–35] :

232 P S S S S S ph R R I V T k n R I V q e I T k n R I V q e I I I _                                       ( ) 1 ( ) 1 2 2 1 1 (1.5). 233

Selon les Eq. (1.4, 1.5), la cellule PV est un générateur de photo-courant Iph dont la valeur dépend

234

uniquement de l’éclairement reçue par la cellule PV. Iph définit les paires de trous-électron qui

235

traversent la jonction P-N sans recombinaison. Iph est réduit à cause de la présence des courants :

236

IS1 qui est le courant de saturation de la diode D1due à la diffusion (voir partie A de ce chapitre)

237

et IS2 celui de la diode D2 due aux recombinaisons. n1 et n2 sont respectivement les facteurs

238

d'idéalité de D1 et D2. La tension aux bornes de cette cellule est réduite à cause des résistances

239

parasites telles que la résistance série RS qui provoquée aux contacts métalliques et

240

interconnections. Elle agit de manière peu prononcé sur le courant de court-circuit et peut être

241

déterminée à partir de la courbe I-V en calculant la dérivée de celle-ci aux alentours de Voc. Pour

242

un meilleur rendement de la cellule PV, il faut que RS la faible que possible [25,26]. L’autre type

11 de résistance c’est la résistance parallèle RP qui est due aux impuretés proches de la jonction P-N.

244

Ces impuretés engendrent des courants de fuite dans la jonction. Plus RP est grande, on obtiendra

245

une cellule PV plus performante[26].

246

Iph : courant de photo-génération.

247

IS)1 : courant de génération-recombinaison ou d’effet tunnel dans la zone de charge d’espaces.

248

IS2 : courant de diffusion dans les zones neutres.

249 RP : résistance parallèle. 250 Rs : résistance série. 251 IS : courant de saturation. 252

n1 et n2 : facteurs d’idéalité de la diode.

253

Le modèle mathématique de schéma électrique de la cellule PV est données par [32–35] :

254 P S S S S S ph R R I V T k n R I V q e I T k n R I V q e I I I _                                       ( ) 1 ( ) 1 2 2 1 1 (1.5) 255

Le courant Iph dépend linéairement de l’éclairement et de la température comme le montre l’Eq.

256 (1.6) [36]. 257

)

(

(

)

(

I

K

T

T

G

G

T

I







Iph(STD) : Photo-courant aux conditions d’éclairement et de température de 1000(W/m2) et 25C°.

259

G : Eclairement (W/m2).

260

G(STD) : Eclairement standard qui correspond à 1000 (W/m2).

261

T : Température réelle de la cellule PV en (K°).

262

T(STD) : Température standard qui correspond à 298.15 K.

263

KI : Coefficient de sensibilité de l’intensité à la température en (A/K).

264

Fig. 1.7 – Circuit électrique équivalent d’une cellule PV. 265

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

12

Fig. 1.8 (a) Caractéristiques I(V) et (b) la représentation classique de courbe I-V d’une 266

cellule PV [28]. 267

La Fig. 1.8.(a) représente la courbe I-V de la cellule PV dans les quatre quadrants durant l’obscurité

268

et sous un éclairement solaire. Cette cellule, étant électriquement polarisée, se comporte comme

269

une diode. Pour Q1 & Q2, la cellule PV est sans lumière et pour Q3 & Q4 la cellule PV est éclairée

270

[25,26,37]. Dans le cas Q4, la cellule étant éclairée, sa jonction P-N est polarisée en inverse et le

271

courant qui circule est celui des porteurs minoritaires [37]. Ce courant est de signe opposé à celui

272

de la tension. On note que la courbe est décalée vers le quadrant Q4 jusqu’à la valeur de courant

273

de court –circuit (Icc) qui est proportionnelle à la quantité maximale de lumière disponible. La

274

tension de circuit ouvert (Voc) représente la tension aux bornes de la cellule PV lorsque le courant

275

s’annule [25,26].

276

La partie intéressante de la caractéristique I-V (Fig. 1.8.(b)) est celle qui génère de l’énergie et

277

plus précisément au point Pm de la puissance est maximale. A ce point, on associe la tension

278

maximale Vm et le courant maximal Im [28,29].

279 Im * Vm Pm  (1.7) 280

On appelle facteur de forme FF (filling factor), le rapport entre la valeur maximale de la puissance

281

pouvant être extraite



Im



Vm



282

produit



Icc 

Vco



283 Vco Icc I FF    Vmp mp (1.8) 284

Le rendement énergétique de conversion η est défini comme suit :

285 S E Pm    (1.9) 286

13 E : Eclairement en W/m2.

287

S : Surface active de la cellule.

288

ICC : Courant de court-circuit (obtenu pour V=0).

289

VCO : Tension en circuit ouvert (obtenue pour I=0).

290

Imp : Courant à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule PV.

291

Vmp : Tension à la puissance maximale de fonctionnement de la cellule PV.

292 : Rendement de conversion. 293 FF : facteur de forme. 294 1.3.3 Module PV 295

Une cellule PV seule est souvent peu utilisable, sa faible épaisseur la rend très fragile d'une part,

296

sa tension et son courant très faibles la rendent inutilisable directement dans des applications

297

électriques courantes [38].

298

Les tensions de fonctionnement des équipements électriques sont normalisées (12, 24, 48V, etc...)

299

et une seule cellule PV ne permet pas de les alimenter directement. Ainsi, afin d’accroître la

300

puissance disponible et l’énergie produite par des cellules PV, les fabricants assemblent en série

301

et en parallèle les cellules PV pour former un module PV (Fig. 1.9).

302

La tension désirée est atteinte en connectant plusieurs cellules en série (Ns). Pour obtenir la

303

puissance désirée, plusieurs de ces séries de cellules peuvent être montées sous forme de branches

304

en parallèle (Np). Ces enchaînements sont ensuite protégés sous un conditionnement conférant à

305

l'ensemble une bonne résistance mécanique et une protection efficace face aux agressions

306

extérieures. Ainsi, la puissance PGPV fournie à la sortie du générateur PV est donnée par [18]:

307 GPV GPV GPV

V

I

P



*

N

V

N

I

P



*

*

*

NS : Nombre de cellules PV connectées en série et qui constituent une branche PV.

315

NP : Nombre de branches PV connectées en parallèle.

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

14

Fig. 1.9Module PV de Np branches parallèles et Ns cellule en séries. 317

Pour avoir un important courant IPV du champ PV, on a la possibilité d’utiliser des cellules PV de

318

plus grande surface et de meilleur rendement, ou de connecter plusieurs modules PV de paramètres

319

identiques. Ce qui permet d’avoir un fonctionnement optimal du générateur PV [37].

320

La puissance du générateur PV sera optimale si chaque cellule fonctionne à sa puissance maximale

321

(Pmax.) La valeur maximale de cette puissance correspond à la crête de la courbe P(V) du champ

322

PV. Pmax est obtenue à partir des valeurs optimales de la tension (Vmp)et du courant (Imp). Pour

323

réduire les disfonctionnements, les fabricants ont choisi de ne pas commercialiser des cellules PV

324

seules. Ainsi, les générateurs PV se trouvent souvent sous forme de modules pré-câblés, constitués

325

de plusieurs cellules [37].

326

1.3.3.1 Modèle mathématique d’un module PV 327

Le modèle mathématique, qui caractérise le panneau PV, est donné par l’équation suivante

328 [39][40] : 329 P S S S S S ph R Ns R I Ns V T k Ns R I Ns V q e I T k Ns R I Ns V q e I I I            _                    _              .( ) 1 ( ) 1 2 2 1 1   (1.12) 330

Ns : Nombres de cellules PVs raccordées en série.

331

1.3.3.2 Influence de l’éclairement et température sur le comportement du module PV 332

Le comportement du module PV est très sensible aux variations de l’éclairement (E) et de la

333

température (T) car ces variations ont un effet important sur la puissance fournie par le module.

334

La Fig. 1.10.(a) montre que pour une température constante de 25°C, le courant IPV et la puissance

335

PPV varient en fonction de la tension VPV pour différents valeurs d’éclairements et on constate

336

plusieurs les courbes P(V) qui correspondent aux Points de Puissance Maximale MPP (Vmp, Imp).

15 Selon La Fig. 1.10.(a), le courant de court-circuit Isc ou Icc varie proportionnellement à

338

l'éclairement. Par contre, la tension de circuit ouvert Voc varie très légèrement [37].

339

La Fig. 1.10.(b) montre que si l’éclairement est constant (1000 W/m2) et la température augmente,

340

la tension Voc diminue par contre le courant Isc varie peut. Donc le fonctionnement de module PV

341

dépend essentiellement des conditions environnementales auxquelles il est soumis. [41]. A cet

342

effet, il faut prendre en considération ces facteurs afin de dimensionner correctement le générateur

343

PV qui permettra d’obtenir la puissance souhaitée [37]. 344

Fig. 1.10.(a,b) Influence de l’éclairement et de la température sur I= f(V) et P=f(V). 345

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

16

1.3.3.3 Effet de l’ombrage partiel sur le fonctionnement du module PV 346

L’efficacité de la production l’énergie PV dépend essentiellement des conditions auxquelles est

347

soumis le champ PV à savoir le rayonnement, la température et l’état de la surface de champ PV

348

(salissure, détérioration). Ces facteurs influent directement sur son absorption photonique et

349

affectent par conséquent la productivité des panneaux PV. Le phénomène d’ombrage partiel est

350

un des problèmes qui nuisent au bon fonctionnement d’une centrale PV. L’ombrage partiel est une

351

répartition non uniforme de l’éclairement qui est dû à plusieurs raisons (Fig. 1.11). A cet effet, on

352

distingue deux types d’ombrage [25]:

353

 Ombrage lointain qui correspond à la disparition du soleil derrière la ligne d’horizon.

354

 Ombrage proche qui est souvent dû à des obstacles inévitables tels que : les lignes

355

électriques, les arbres, les bâtiments voisins, la saleté.

356

Fig. 1.11 Courbe de I(V) et P(V) d’un générateur PV de 100 kW. 357

Ce phénomène indésirable affecte l’efficacité de la conversion et l’habilité à extraire le maximum

358

de puissance disponible du champ PV en engendrant de multiples maxima locaux. L’ombrage

359

perturbe aussi le fonctionnement des cellules PV causant ainsi deux problèmes :

360

 _{Le premier problème c’est celui de mismatch qui est dû au fait que le courant total d’un champ}

361

PV est limité par le courant du module ombragé (de faible puissance) dans le cas où le courant

362

Icc du module ombragé est supérieur au Icc des modules uniformément éclairés.

17  Le second problème est celui du point chaud (hot pot). Ce problème se produit quand le

364

courant Icc du module ombragé est inférieur au Icc des modules uniformément éclairés donc

365

le module ombragé se conduit comme un récepteur d’énergie reçu par les autres modules PV.

366

Ceci engendre, en plus de la déformation de la courbe I-V (Fig. 1.11), l’échauffement de ce

367

module par dissipation de cette énergie et si le point de fonctionnement du module ombragé

368

atteint la tension de claquage, ce module sera détruit à cause de l’effet de l’avalanche [25,26].

369

Afin de concevoir un système PV performant, il est important de trouver une tension de

370

fonctionnement optimale pour extraire le maximum de puissance PV, ce qui permet d’augmenter

371

l’efficacité du générateur PV. Cependant, le générateur PV peut être partiellement ombragé

372

comme le montre la Fig. 1.11, ce qui force les modules PV à fonctionner avec plusieurs courants.

373

D’où l’apparition de plusieurs points de puissances maximales (MPP) locaux. Ce problème affecte

374

la production de l’énergie PV et donc l’efficacité du système PV [42,43].

375

1.3.3.4 Assemblage des modules PV 376

L’assemblage des modules PV est une étape primordiale dans la conception de système PV car

377

elle est conditionnée par un ensemble de critères à satisfaire comme la puissance, la tension ainsi

378

que le courant désirés. Elle dépend aussi de l’environnement dans lequel fonctionne ce système

379

avec ses contraintes. A cet effet, plusieurs configurations ont été mise au point suivant les stratégies

380

adoptées telles que : le câblage série-parallèle (SP), total cross tied (TCT), bridge linked (BL) et

381

Honey comb (HC) [44–47].

382

Fig. 1.12 Configuration de câblage des modules PV. 383

CHAPITRE 1 SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES

18 La Fig. 1.12 montre quelques types de ces configurations [18,48]. La configuration TCT est

384

obtenue à partir de la configuration SP et ce en connectant tous les nœuds de chaque ligne (Fig.

385

1.12.(b)). Dans la configuration TCT, les tensions de tous les nœuds sont égales ainsi que la somme

386

des courants dans les différentes jonctions sont égales. Selon la Fig. 1.12.(c), la configuration BL

387

est basée sur la connexion de chaque quatre modules PV sous forme d'un pont redresseur (bridge

388

rectifier) dans lequel deux modules sont connectés en série, puis en parallèle [44,45,47]. La

389

configuration HC est une amélioration de la configuration du BL [47]. D’après la Fig. 1.12.(d), la

390

configuration HC est inspirée de la forme hexagonale des cellules de la ruche d'abeille. Les

391

modules PV en bleu sont en parallèle et les autres blocs désignent les modules PV qui sont seuls

392

[45].

393

1.4 Système PV raccordé au réseau électrique 394

Un système PV raccordé au réseau électrique a pour rôle principal de contribuer à la production

395

d’électricité issue d’une source renouvelable sur le réseau. L’énergie produite par le générateur

396

PV est directement exploitée par les charges locales de l’installation et l’éventuel excès de

397

production d’électricité est introduit dans le réseau. Le réseau est utilisé en complément à la

398

production PV. Dans ce cas, le réseau est considéré comme une forme de stockage virtuel d’énergie

399

[25].

400

Cependant, l’insertion des systèmes PV au réseau de distribution peut avoir des effets

401

bidirectionnels indésirables. D’une part, ça peut affecter la variation des flux de puissance, la

402

protection et la qualité de l’énergie. D’une autre part, les caractéristiques et les troubles associés

403

au fonctionnement sur les réseaux de distribution pouvant perturber le bon fonctionnement des

404

systèmes PV comme dans le cas de la déconnexion des systèmes PV causée par un creux de tension

405

et qui provoque une perte importante de production pouvant conduire à un fort déséquilibre

406

production / consommation donc à une panne [49].

407

Par conséquent, il est recommandé de prendre en considération, d’une part l’effet de l’ajout des

408

sources PVs au réseau de distribution, d’autre part la réponse dynamique des systèmes PV en

409

régime permanent et sous différentes perturbations. Il est nécessaire de trouver des solutions

410

permettant d’améliorer les performances des onduleurs PV afin d’augmenter leur taux

411

d’intégration au réseau de distribution [49].

412 413 414

19

1.4.1 Eléments constituants le système PV raccordée au réseau 415

Dans le but d’assurer une conversion de l’énergie PV en énergie électrique alternative adaptée au

416

réseau, la centrale PV raccordée au réseau est composée essentiellement des éléments suivants : le

417

module PV, le convertisseur DC/DC , le contrôleur MPPT qui a pour but de ramener le point de

418

fonctionnement de système PV au point de puissance maximale (MPP) [41], l’onduleur PV qui

419

convertit l’énergie électrique continue en énergie alternative. Il peut être de type monophasé ou

420

triphasé. Parmi les fonctions qu’accomplit l’onduleur, on cite les suivantes [50]:

421

 Assurer une parfaite synchronisation avec le réseau.

422

 Adapter la tension de sortie à la valeur maximale admissible pour le réseau.

423

 Minimiser le déphasage.

424

 Réduire le taux de fréquences harmoniques afin d’avoir un signal se sortie presque

425

sinusoïdale.

426

 Diminuer les perturbations électromagnétiques.

427

 Garantir le rendement élevé de la puissance transférée au réseau.

428

1.5 Conclusion 429

Dans ce chapitre, on a vu l’importance du générateur PV dans la production de l’énergie. On a

430

passé en revue ses caractéristiques et les différentes technologies de productions de la cellule PV.

431

Un aperçu est donné sur l’influence de la température, de l’ensoleillement et de l’ombrage partiel

432

sur le rendement du générateur PV. On a mis l’accent sur les systèmes connectés au réseau

433

électrique car ce travail propose d’améliorer les performances d’un système PV connecté au réseau

434

BT.

CHAPITRE 2 CONVERTISSEUR DC/DC ET CONTINU/ALTERNATIF

20

CHAPITRE 2 : CONVERTISSEURS CONTINU/CONTINU ET

CONTINU/ALTERNATIF

2.1 Convertisseur DC/DC 438

Les dispositifs électroniques de technologie nouvelle doivent satisfaire certains critères tels

439

que la haute qualité, la fiabilité, la dimension, le poids et le coût réduit [51]. Les régulateurs de

440

puissance linéaire, dont le principe de fonctionnement est basé sur un diviseur de courant ou de

441

tension, peuvent fournir une tension de sortie de très haute qualité [51,52]. Cependant, ce type

442

de régulateurs restent inefficaces du fait que leur domaine principal d’application est à des

443

niveaux de puissance faibles [53].

444

Les régulateurs de commutation appelés convertisseurs DC/DC utilisent des interrupteurs

445

électroniques, à base de semi-conducteurs tels que : le thyristor, transistor de puissance ou

446

l’IGBT…etc, parce qu’ils engendrent une faible perte de puissance lors de basculement d’un

447

état à un autre [54]. Ces convertisseurs assurent des rendements élevés de conversion d’énergie

448

et ils peuvent fonctionner à des fréquences élevées. Les caractéristiques dynamiques des

449

convertisseurs DC/DC s’améliorent avec l’augmentation des fréquences de fonctionnement.

450

Les fréquences de fonctionnement élevées permettent donc de parvenir à une réponse

451

dynamique plus rapide aux changements rapides dans le courant de charge ou de la tension

452

d’entrée [53].

453

Fig. 2.1 Symbole d’un hacheur DC/DC. 454

 D : Rapport cyclique.

455

La Fig. 2.1 montre le convertisseur DC/DC qui lie la source de tension continue à la charge. Il

456

est considéré comme un transformateur de grandeurs électriques continues [55]. Les

457

performances du convertisseur DC/DC lui permettent de réguler la tension de sortie DC malgré

458

les variations de charge et de ligne et de réduire les harmoniques de la tension de sortie DC

au-459

dessous du niveau toléré [53]. Il existe plusieurs types de hacheurs DC/DC sur le marché, dans

460

ce chapitre, on va passer en revue les convertisseurs suivants :

21

2.1.1 Convertisseur abaisseur (Buck) : 462

Le convertisseur DC/DC abaisseur, montré dans la Fig. 2.2, convertit la tension de la source Vs

463

en une tension plus basse Vo [56,57]. Ce convertisseur est constitué d’un commutateur S, de la

464

diode D, qui protège S, et du filtre inductif L. Lorsque l’interrupteur S est fermé, le courant i(t)

465

circule vers la charge à travers l’inductance L qui se charge au fur et à mesure que le courant

466

i(t) augmente durant

t 

[

0

,

D

.

T

]

467

l’énergie emmagasinée sous forme magnétique à la charge et la diode D est en état de

468

conduction afin de protéger l’interrupteur, ce durant

t 

[

D

.

T

,

T

]

469

sortie sont en fonction du rapport cyclique et de la fréquence [2, 7, 8]. 470

471

Fig. 2.2 Circuit électrique de Hacheur abaisseur. 472

Pour étudier le convertisseur abaisseur et extraire son modèle mathématique, on analyse le

473

fonctionnement du circuit équivalent pour S ouvert et fermé.

474

 _Pour

t 

[

0

,

D

.

T

]

475

),

(

)

(

)

(

)

(

t

C

dV

_dt

t

i

t

i

t

i







 Pour

t 

[

DT

,

T

]

479 480 481 482 (2.2)