Onduleur pour les systèmes photovoltaïques

THESE

Présentée en vue de l’obtention du diplôme de

DOCTORAT

Thème

onduleur pour les systèmes photovoltaïques

Option

ELECTROMECANIQUE

Par

Kheira Baali

Soutenue le 09 juillet 2017

DEVANT LE JURY

Président : Pr. Belhamra Ali Université-Badji-Mokhtar-Annaba Rapporteur : Pr. Saad Salah Université-Badji-Mokhtar-Annaba Examinateur : Pr. Herous Lazher Université-Badji-Mokhtar-Annaba Examinateur : Dr. Zellouma Laid Universite El-ouad

شلا ةيطارقميدلا ةيرئازجلا ةيروھمجلا

ةيبع

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

ةرازو

ميلعتلا

يلاعلا

ثحبلاو

يملعلا

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEURE ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

Université Badji Mokhtar- Annaba

FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIORAT DEPARTEMENT D’ELECTROMECANIQUE

ةعماج

يجاب

راتخم

-ةبانع

مولعةيلك

ةسدنھلا

مسق

كيناكيمورتكللإا

À la mémoire de ma mère,

À mon père, à mon frère et mes sœurs

À tous les membres de mon adorable famille

A mon marie Nidou et ma chère petite fille Ayette

Allah, merci pour m’avoir donné la santé, la volonté et le courage sans lesquels ce travail n’aurait pas été réalisé.

Sans la participation de nombre d’entre vous, l’aboutissement de ce travail de thèse n’aurait pu être possible. Je tiens à travers ces quelques lignes à vous exprimer ma sincère gratitude.

Je tiens à exprimer mes vifs remerciements à mon directeur de thèse, Monsieur Saad Salah, Professeur à l’Université Badji-Mokhtar, Annaba, pour avoir dirigé ce modeste travail, pour la confiance et l’intérêt qu’il a témoigné tout au long de la réalisation de cette thèse, pour sa disponibilité au quotidien, sa qualité pédagogique, ses connaissances multidisciplinaires et grande expérience théorique et pratique dans le domaine des convertisseurs statiques, des commandes avancées, des énergies renouvelables et leurs environnement qui m’ont permis d’assimiler la complexité des disciplines et phénomènes mis en jeu tout au long de l’achèvement de cette thèse. En bref, ces années de recherche ont été un véritable amusement scientifique, et la qualité de son engagement, son encadrement, ses conseils et son soutien sont pour moi un exemple à suivre. J’espère que notre collaboration ne s’arrêtera pas avec cette thèse.

Je suis très reconnaissante à l’égard de Monsieur Belhamra Ali, Professeur à l’Université Badji-Mokhtar, Annaba pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail. C’est un grand plaisir pour moi d’avoir accepté de présider ma soutenance.

Toute ma reconnaissance va également à Herous Lazhar, Professeurs à l’Université Badji-Mokhtar, Annaba, pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail en me faisant l’honneur de participer au jury.

Je tiens également à remercier Monsieur Zellouma Laid, Docteur à l’Université El-ouad pour l’intérêt qu’il a porté à ce travail en me faisant l’honneur de participer au jury.

J’exprime mes sincères remerciements à Monsieur Ghemari Zine, Docteur à l’Université de MSila, d’avoir accepté de juger ce travail.

J’exprime mes remerciements les plus sincères à Madame Menasriya Yamina, Docteur à l’Université de Annaba, de m’avoir fait découvrir le monde de modélisation et simulation, ainsi pour son épaulement tout au long de cette thèse, pour sa disponibilité, ses remarques pertinentes, et son aide pour la réalisation des simulations dans l’environnement Simulink / MATLAB. Il m’est particulièrement agréable d’exprimer ma gratitude et ma reconnaissance à Monsieur Fares Zaamouche, Enseignant à l’Université de Tébessa. Je lui exprime toute ma reconnaissance pour son aide scientifique qui m’a permis de mener à bien ce travail, pour la collaboration efficace établie depuis le début ainsi que pour la bienveillance et la confiance qu’il a toujours bien voulu me témoigner, et pour le temps qu’il a pu me consacrer pour m’aider à comprendre les

Je remercie tout le personnel du Département d’électromécaniques. Sans oublier le responsable du département, Monsieur Chigibe Houssine, pour sa générosité et sa grande patience. Mes remerciements vont également à mes collègues et à mes amis du laboratoire pour les moments agréables passés ensemble.

J’exprime ma profonde reconnaissance envers tous celles et ceux qui ont participé à la réalisation de ce travail.

Je voudrais chaleureusement remercier ma sœur Mademoiselle BAALI Souad, Docteur à l’université des frères Mentouri Constantine 1 ; qui constitue une grande source d’encouragement et de motivation et qui m’a tant soutenu, ma sœur qui n’a jamais cessé de croire en la réussite de mon travail de thèse.

Enfin, je remercie spécialement Mon mari, pour son illimité patience, son aide exceptionnel et son soutien rationnel de tous les instants jusqu’à l’accomplissement de cette thèse.

Table des matières 

Remerciement

Table des matières

Liste des figures

Liste des symboles utilisés

Résumé

Introduction générale

Chapitre1: Chaine de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique

Introduction ……… 05 

I-1Applications des systèmes photovoltaïques ……… 05 

I-1-1 Systèmes autonomes ……….. 05 

I-1-2 Systèmes hybrides ………  06 

I-1-3 Systèmes couplés au réseau ………. 06 

I-1-4 Systèmes fonctionnant à l‘aide de l‘énergie solaire photovoltaïque (Pompage photovoltaïque) ………   06  I-2 Chaines de conversion des énergies photovoltaïques………..  06 

I-3 chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée ………. 09 

I-3-1 Cellule photovoltaïque ………. 09 

I-3-1-1 La conversion d’énergie solaire en énergie électrique ………. 10 

I-3-1-1-a MODULE PHOTOVOLTAIQUE ……… 11 

I-3-1-1-b MODÈLE DE CELLULES SOLAIRES ………. 11 

I-3-1-1-c CARACTERISTIQUES COURANT-TENSION ……… 13 

I-3-1-1-d PARAMETRES DE LA CELLULE SOLAIRE ………. 14 

d-1 COURANT DE COURT-CIRCUIT (Icc) ………..  14 

d-2 TENSION DE CIRCUIT OUVERT (Voc) ……… 14 

I-3-1-1-e EFFET DE L’ENSOLEILLEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES (I-V) 14  I-3-1-1-f EFFET DE TEMPERATURE SUR LES CARACTERISTIQUES I-V ……. 16 

I-3-1-2 interprétation des résultats ……… 17 

I-3-2 Recherche du point de puissance optimal ………  18 

I-3-3 CONVERTISSEURS DC-DC POUR MPPT ……… 23 

I-3-3-1 Les applications des hacheurs sont nombreuses ……… …. 24 

I-3-3-2- Le choix du convertisseur continu – continu ……….. ... 25 

I-3-3-2-a Hacheur Buck (série) (abisseur de tension) ……….. ... 25 

I-3-3-2-b Hacheur parallèle (élévateur de tension) ……….. ... 25 

I-3-3-2-c Principe de fonctionnement du convertisseur « boost »……… 25 

I-3-3-3 Modélisation et Simulation d'un convertisseur « boost »………. 27 

I-3-3-3-a Modélisation ………. 27 

I-3-3-3-b Simulation ……… 28 

I-3-4 - Le convertisseur continu- alternatif ……… 28 

I-3-4-1 le choix de l’onduleur ……….. 28 

I-3-4-2 Utilisation des onduleurs ……….. 29 

I-3-4-3 Technologies des onduleurs ………. 30 

I-3-4-3-1 Onduleurs modulaires (module inverter) ……….. 30 

I-3-4-3-2 Onduleurs centralisés (central inverter) ………  30 

I-3-4-3-3 Onduleurs "String" ou "de Rangée" ……… 30 

I-3-4-4 Généralités et principe de fonctionnement d’onduleur ……… 31 

a- Définition ……… 31 

I-3-5 Moteur asynchrone ……… 32 

I-3-5-1 Equations de base du moteur asynchrone ……… 33 

I-3-5-2 Les hypothèses simplificatrices ……… 34 

I-3-5-3 Equations de la machine asynchrone en régime dynamique ……… 35 

a- Equations des tensions ……… 35 

b-Equations des flux ………  36 

I-3-5-4 Transformation de Park appliquée à la MAS ……… 36 

C-Equation électrique ……… 39 

D-Equations magnétique ………  39 

E-Equations mécaniques ……… 40 

I-3-5-5 Choix du repère dq ……… 40 

I-3-5-6 Expression du couple instantané en régime quelconque ……….. 40 

I-3-5-6-1 Puissance instantanée ……….. 40 

I-3-5-6-2 Modèle mathématiques générale de la machine asynchrone ……… 41 

Chapitre 2 Les onduleurs et leurs stratégies de commande

Introduction ………. 43 

II-1 Montage onduleur ……….. . 43 

II-2 Différents types d’onduleurs ……….  43 

II -2-1 les onduleurs monophasés ……… 43 

II -2-2 Les onduleurs triphasés ……… 44 

II-2-3 Les onduleurs multiniveaux ……….. 45 

II-3 Les avantages et les inconvénients de l’onduleur ………. 46 

II-4 Modélisation des onduleurs de tension ……… 46 

II-5 Les déférentes stratégies de commande appliquée à l’onduleur de tension 48  II-5-1- Commande en pleine onde ………... 48 

I-5-2- La commande à onde décalé (120°) ……….   52 

II-5-3 Commande par hystérésis ……….. 52 

II-5-4 La Modulation de largeur d’impulsion ……… 54 

a- Principe de la modulation de largeur d’impulsion ………... 54 

b- Principaux avantages de la MLI ……….. 55 

c- Inconvénients de la MLI ………. 55 

II-5-4-1 Commande triangule-sinusoïdale ……….  56 

a- Principe de base ……….. 56 

b- Conséquences……… 56 

C- Caractéristique de la modulation de largeur d’impulsion (MLI) ……… 57 

E- La qualité du signal ………  58 

II-5-4-2 MLI à échantillonnage périodique ……… 58 

II-5-4-3 La commande a MLI discontinu ……… 59 

a- Principe de base ………... 59 

II-5-4-4 Commande à MLI vectorielle ……… 63 

II-5-4-4-a Principe de la modulation vectorielle……….. 63 

II-5-4-4-b Détermination des secteurs ……….  65 

Conclusion……….  69 

Chapitre III Simulations et expérimentation du système étudié

III-3 Résultats de simulation et interprétation ……….. 72 

III-4 Essais expérimentaux ……… 75 

III-5 Schéma bloc ……… 78 

III-6 Comparaison des résultats expérimentaux ………... 78 

III-7 Résultats et discussions ……… 80 

Conclusion ……… 81 

Conclusion générale ……… 82 

Les références bibliographiques ………... 83 

Annexe  

Liste des figures

Chapitre I : Chaine de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique.

Fig.1.1  Système photovoltaïque couplé au réseau ………..  07

Fig.1.2  Chaine de pompage photovoltaïque………  07

Fig.1.3  Systèmes de petite puissance ……….  08

Fig.1.4  La chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée ………. 09

Fig.1.5  Principe d’un panneau photovoltaïque ………  11

Fig.1.6  Circuits équivalents de cellules : (a) modèle simple-diode ;(b) modèle double-diode ………..  12

Fig.1.7  Modèle simplifié de diode d’une cellule solaire ……… 12

Fig.1.8  Caractéristique courant-tension (I-V) d'une cellule solaire ………  13

Fig.1.9  Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module I-V à T=25 °C … 15 Fig.1.10  Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module P-V à T=25 °C (la puissance délivrée par une cellule) ………  15

Fig.1.11  Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module P-V à T=25 °C (la puissance délivrée par un panneau) ……….. 16

Fig.1.12  Effet de la température sur la caractéristique du module I-V à un ensoleillement constant (1000W/m2). ……….. 16

Fig.1.13  Effet de la température sur la caractéristique du module P-V à G=1000 W/M2 (la puissance délivré par une cellule). ……… 17

Fig.1.14  Effet de la température sur la caractéristique du module P-V à G=1000 W/M2 (la puissance délivré par un panneau). ……… 17

Fig.1.15  Organigramme de différentes méthodes de commande ……….. 19

Fig.1.16  Caractéristique de la puissance ………..   21

Fig.1.17  Organigramme de l’algorithme Perturbation et Observation ………  22

Fig.1.18  La commande MPPT ………..  23

Fig.1.19  Schéma de principe d’un convertisseur « boost » ……….. 25

Fig.1.20  Circuits équivalents pour les temps 1 et 2 ………  26

Fig.1.21  Simulation de l’ hacheur boost ……….. 28

Fig.1.22  La tension continu a la sortie du hacheur ………... 28

Fig.1.24  Schéma d’un onduleur de tension triphasé ………  32

Fig.1.25  Représentation schématique d'une machine asynchrone triphasée………….  35

Fig.1.26  Représentation angulaire des systèmes d’axes dans l’espace électrique…….. 36

Fig.1.27  représentations des enroulements fictifs d’axes d et q ……… 39

Chapitre II : Les onduleurs et leurs stratégies de commande. Fig.2.1 Schéma d'un bras j de l'onduleur ……… 44

Fig.2.2  Schéma d'un onduleur triphasé à deux niveaux ………  44

Fig.2.3  État des interrupteurs d’un bras de l'onduleur ………... 45

Fig.2.4  Un transistor et une diode en parallèle ………. 45

Fig.2.5  Impulsions des transistors et les tensions de sortie simples ………... 49

Fig.2.6  Schéma de principe du contrôle par hystérésis d'un bras de l'onduleur …….  52

Fig.2.7  Commande par Hystérésis ……….  53

Fig.2.8  Principe de la modulation de la largeur d’impulsion ……….  55

Fig.2.9  Schéma de principe de la technique triangle-sinusoïdale ………...  57

Fig.2.10  Modulateur MLI à échantillonnage périodique. ………. 59

Fig.2.11  Les formes d'onde de référence Vr, Vr * et les composantes de séquence zéro U0 ont injecté des stratégies de largeur différentes ……….  60 Fig.2.12  Technique d'intersection triangulaire basée sur MLI utilisant le principe d'injection de séquence zéro ………. 61

Fig.2.13  Chronogramme des impulsions basées sur deux phases MLI (DPWM) …… 61

Fig.2.14  Représentation des tensions générées par l'onduleur. ………. 64

Fig.2.15  Etat des interrupteurs correspondants à chaque vecteur de tensions. ………. 66

Fig.2.16  Temps d'application par projection du vecteur de tension désiré. ………...   67

Fig.2.17  Chronogramme de commutation des interrupteurs dans le secteur Ia …….. 68

Chapitre III : Simulations et expérimentation du système étudié Fig.3.1 Moteur asynchrone alimenté par un onduleur commandé par MLI vectorielle ………..  71 Fig.3.2  Schéma bloc de la technique MLI vectorielle

a) le principe de SV- modulation, b) Génération des impulsions……… 72

Fig.3.3  La tension simple à la sortie de l'onduleur ………  72

Fig.3.4  La tension composée à la sortie de l'onduleur ……… 73

Fig.3.5  Le courant de phase à la sortie de l’onduleur Ia ………...  73

Fig.3.6  Le spectre de fréquences du courant simple Ia, THD = 1.81% …………... 73

Fig.3.7  Couple électromagnétique du moteur ……… 74

Fig.3.8  La vitesse rotorique du moteur ………. 74

Fig.3.9  illustre la plateforme expérimentale réalisé au niveau du laboratoire (LSELM) ………..  77 Fig.3.10  Schéma synoptique du dispositif expérimental ……… 77

Fig.3.11  Bloc d’implémentation de la MLI vectorielle dSPACE/Simulink ………  78

Fig.3.12  Résultats de simulation par MATLAB ……… 79

Fig.3.12.a  La tension composée Vab(v) ……… 79

Fig.3.12.b  Le courant simple Ia(A) ………. 79

Fig.3.12.c  Spectre de fréquences du courant THD (%) ……… 79

Fig.3.12.d  Courbe de vitesse pendant les régimes transitoire et permanent …………. 79

Fig.3.13  Résultats des essais expérimentaux ……….  79

Fig.3.13.a  La tension composée Vab(v) ……….  79

Fig.3.13.b  Le courant simple Ia(A) ……….  79

Fig.3.13.c  Spectre de fréquences du courant THD (%) ……… 80

Liste des symboles

D : Diamètre de soleil(1.39.109m). Rp : Résistance parallèle shunt(Ω). Rs : Résistance série(Ω).

Isat : Courant de saturation (A). Tc : Température de jonction (°K).

G : L’éclairement de référence (1000 W/m2).

α : Le coefficient de courant en fonction de température (A/°C). Tref: La température de référence (298 °K).

n : Facture de non idéalité de la jonction.

Ns : Nombre de modules dans le panneau en série. Np : Nombre de modules dans le panneau en parallèle. Pmax : La puissance maximale produite PV (W).

Vmax : Tension qui correspond à la puissance maximale (V).

Imax : Courant qui correspond à la puissance maximale (A).

Vopt : Tension optimale (V).

S : Surface du module photovoltaïque [m2_]

Rs : Résistance série de générateur solaire [Ω] Rp : Résistance parallèle de générateur solaire [Ω] Φ : Flux incident [lm]

NS : Nombre de cellules en série dans un générateur PV NP : Nombre de branches en parallèle dans un générateur PV

RSe : Résistance série équivalente [Ω]

RPe: Résistance parallèle équivalente [Ω]

Vm : Tension au point de fonctionnement [V]

Im : Courant au point de fonctionnement [A]

PV : Photovoltaïque RS : Rayonnement solaire

q : Charge l’électron : [1,6 .10-19 _{] [ev]}

G : Eclairement [W/ m2_]

Iph: Photo courant [A]

ID : Courant générer par la diode [A]

Vop : Tension optimale [V)]

Iop: Courant optimum [A]

Vco: Tension à circuit ouvert [V]

Icc : Courant de court circuit [A]

K : Coefficient de Boltzman : [1.38 . 10-23 _{J/k ]}

Ta : Température ambiante [°C]

Tc : Température de la cellule [°C]

ω : Vitesse de rotation [rd / s] Q : Débit de la pompe [m3_/s]

H : Hauteur manométrique totale [m]

Hg : Hauteur géométrique [m] ηh: Rendement hydraulique [%] ηv : Rendement volumétrique [%] ηm : Rendement mécanique [%] u : Vitesse périphérique [m/s] v : Vitesse absolue [m/s] w : Vitesse relative [m/s] g : Accélération de la pesanteur [m/s2_]

ρ : Masse volumique de l’eau [kg /m3_]

α : Angle d’entrée / sortie du liquide [°] β : Angle d’entrée / sortie du liquide relative l’aube [°]

b : Larguer de l’aube [m]

r : Rayon d’entrée / sortie de la roue [m]

S : Epaisseur de l’aube [m]

T : Pas d’aubage [m]

∆t : Pas de temps [h]

p : Nombre de paires de pôles Z : Nombre d’aubes

Hth : Hauteur théorique de la pompe [m]

Hfr : Perte de charges dues aux frottements [m]

Hch : Perte de charges dues aux chocs [m]

Q0 : Débit de la pompe pour la lequel les pertes dues aux chocs sont nulles [m3/ s]

kS : Constante du couple des pertes de rotation [N.m ]

η : Rendement du moteur [%]

η : Rendement de la pompe [%]

RS : Résistance d’une phase statorique du moteur [Ω]

Rr : Résistance d’une phase rotorique rapportée [Ω]

Rm : Résistance de magnétisation [Ω]

LS : Inductance cyclique statorique [Ω] Lr : Inductance cyclique statorique [Ω] M : Inductance cyclique mutuelle [Ω] nn: Vitesse d’entraînement nominale [

tr/mn]

XS : Réactance de fuites d’une phase statorique [Ω]

Xr : Réactance de fuites rotorique rapportée [Ω]

X11 : Réactance cyclique statorique [Ω]

X22 : Réactance cyclique rotorique [Ω]

g : Glissement [%]

IS : Courant primaire [A] Ir : Courant secondaire [A] Im : Courant de magnétisation [A] Xm : Réactance de magnétisation [Ω] Cm: Couple moteur. [N.m]

Abréviation utilisées

PV: Panneau Photovoltaïque. GPV: Générateur Photovoltaïque. FF: Facteur de forme.

MPPT: Maximum Power Point Tracking. P&O: Perturbation et Observation. DC: Courant Continu (Direct Current). AC: Courant Alternatif (Alternative Current). THD: Total harmonic distortion

GTO: Gate Turn Off

MOSFET: Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor

DC : Direct current D : Diode

SPWM : Sinusoidal pulse-width modulation SVPWM: Spacevector pulse-width modulation MLI: Modulation de largeur d’impulsions FFT : Fast Fourier Transform

MSAP : Moteur synchrone à aimants permanents GSAP : Génératrice synchrone à aimants permanents

width modulation (SVPWM) control scheme is presented to demonstrate the high performance of the photovoltaic inverter. The design and the simulation of electric operation of a photovoltaic (PV) system controlled by an intelligent method enabling to track the maximum power produced by the photovoltaic generator are described. The simulation was performed in the Simulink /MATLAB environment and the PV output voltage is elevated by a dc boost converter to supply the inverter. Furthermore, tests are performed on experimental platform to implement the developed algorithms of SVPWM inverter used to convert the produced dc voltage to a variable ac voltage. The experimental waveforms such as ac output voltages, currents, speed and torque curves and total harmonic distortion, are presented and analyzed.

commande de modulation de largeur d'impulsion vectorielle (MLIV) est présentée pour démontrer les bonnes performances de l'onduleur photovoltaïque. La conception et la simulation du fonctionnement d'un système photovoltaïque (PV) commandé par une méthode intelligente permettant de suivre la puissance maximale produite par le générateur photovoltaïque sont décrites. La simulation a été réalisée dans l'environnement Simulink / MATLAB et la tension de sortie PV est élevée par un hacheur élévateur pour alimenter l'onduleur. De plus, des tests sont effectués sur une plateforme expérimentale pour mettre en œuvre les algorithmes développés de l'onduleur à MLIV utilisé pour convertir la tension continue produite en tension alternative variable. Les formes d'onde expérimentales telles que les tensions de sortie encourant alternative, les courants, les courbes de vitesse et de couple et la distorsion harmonique totale sont présentées et analysées.

ذھ يف ا لا ع لم يف مكحتلا ططخمل يقيقح تقو يف ذيفنت و ةاكاحم ، يعاعشلا ضبنلا ضرع ليدعت (MLIV) تابثلإ يئوضورھكلا لوحملل ديجلا ءادلأا . دقتو فصو اذكو ي م ل يئوضورھكلا ماظنلا ليغشت ةاكاحمو ميمصت هدوقت يذلا نم نكمت يتلاو ةيكذلا ةقيرطلا عبتت رھكلا تادلوملا اھجتنت يتلا ىوصقلا ةقاطلا سايق و ةيئوض . ةاكاحملا ذيفنت مت دقو ةطساوب Matlab Simulink نيأ يذلا رمتسملا دھجلا لوحم ةطساوب رمتسملا دھجلا عفر متي نم جتانلا دھجلا لثمي ةيئوضورھكلا ةمظنلأا PV دھجلاب لوحملل رشابملا بوانتملا . ةصنم ىلع ةيبيرجتلا تارابتخلاا ءارجإ مت ،كلذ ىلإ ةفاضإ تايمزراوخلا ذيفنتل ةيبيرجت ةروطملا ) MLIV ( نم لا لوحم دھجلا ليوحتل مدختسملا لا رمتسم يئابرھك دھج ىلإ جتنملا ريغتم بوانتم . لا ليلحتو ضرع مت ثيح بوانتملا دھجلا ،ةيبيرجتلا تاجوم ،جتانلا هفايطأو يئابرھكلا رايتلا ةيددرتلا (THD) اذكو ةعرسلا ىنحنم . تاملكلا ةيحاتفم MLIV : -يئوضورھكلا لوحملا -dSPACE - MPPT-.ةيئوضورھكلا تادلوملا

Introduction générale

La consommation de l’énergie électrique dans notre pays est en augmentation permanente. Cette énergie provient des combustibles fossiles tels que le gaz naturel, le pétrole, charbon, …etc). L’utilisation intensive peut mener à la pollution de l’environnement et l’épuisement de ces réserves. Cette menace c’est manifesté principalement à travers la pollution et le réchauffement global de la terre par effet de serre. En conséquence, la préoccupation major du monde en ce moment est de diminuer cette pollution en imposant aux sources d’énergie conventionnelles des critères très sévères.

Dans le monde et plus particulièrement dans les pays en voies de développement les populations rencontrent beaucoup de problèmes pour couvrir l’approvisionnement en eau potable et l’irrigation dans les zones rurales et désertiques. Pour résoudre ce problème l’énergie solaire devient une alternative sérieuse et efficace pour alimenter ces installations surtout dans les zones indiquées ci-dessus.

L’énergie solaire est une énergie disponible, moins chère, non polluante, et reste la plus grande source d’énergie. L’exploitation de cette énergie peut se faire de trois manières: thermique, thermodynamique et photovoltaïque. L’énergie photovoltaïque sera la source de l’énergie de l’avenir suite à l’épuisement total de nos sources énergétiques conventionnelles.

La situation géographique de l’Algérie encourage le développement et l’utilisation de cette énergie [1] vu l’importance de l’intensité du rayonnement solaire et la durée de l’ensoleillement qui dépasse parfois dix heures par jour pendant plusieurs mois. Donc l’Algérie peut satisfaire certains de ces besoins en énergie solaire, surtout dans les régions les plus isolées surtout dans les applications de pompage [2].

L’énergie solaire provient de la conversion des rayons du soleil en électricité par l’intermédiaire des semi-conducteurs comme le silicium et le germanium. Ces matériaux ont la caractéristique de libérer leurs électrons sous l’influence d’une énergie extérieure. Le générateur photovoltaïque (GPV est constitué de l’association série et/ou parallèle des cellules photovoltaïques dont la caractéristique courant-tension est non linaire. Cette caractéristique qui est en fonction de la température et de l’ensoleillement présente un point de puissance maximum (PPM).

Pour que le point de fonctionnement soit au voisinage du point de puissance maximum (PPM), un étage d’adaptation doit être intégrer entre le générateur et la charge. Les algorithmes de contrôle ont été étudiés et proposés dans la littérature pour la recherche du PPM, appelés commande MPPT (maximum power point tracking) [3-4] sont utilisées lorsque le GPV est connecté à une charge par l’intermédiaire d’un convertisseur statique. Dans plusieurs applications industrielles, il est souvent essentiel d’avoir un système de réglage de la tension délivrée par le système photovoltaïque qui fonctionne à sa puissance maximale. Dans ce mémoire nous avons étudié les techniques de contrôle de la tension de sortie du convertisseur les plus utilisées [5].

La conversion de l’énergie continu-alternatif est réalisée par les convertisseurs statiques tel que les onduleurs de tension assurant une fonction incontournable de l’électronique de puissance. Ils sont présents dans plusieurs applications, dont celui de la variation de vitesse des machines à courants alternatif et nouvellement dans le filtrage actif [6-7] et les systèmes de conversions des énergies renouvelables (énergie photovoltaïque et éolienne) [8-9]. Cette croissance est due au développement dans les composants semi-conducteur commandables de puissances (IGBTs et MOSFETs), et à l’utilisation des techniques de commandes de modulation de largeur d’impulsion (MLI) [10-18].

C’est dans cet esprit que les recherches scientifiques se développent pour généraliser, améliorer et optimiser l’exploitation des systèmes solaires. L’optimisation des systèmes solaires est basée sur des critères de dimensionnement et de maximisation de la puissance générée pour avoir un bon rendement.

L’application des systèmes photovoltaïques n’est pas limitée aux systèmes dans les zones isolées, mais ils sont aussi utilisés au niveau domestique. Donc une optimisation d'utilisation d'énergie est nécessaire car il est essentiel de faire un choix optimal sur la source à utiliser (réseau, batterie ou panneau solaire). En cas d’excès d'énergie produite à travers le système de conversion photovoltaïque, cette dernière est injectée dans le réseau pour optimiser ces systèmes et assurer un fonctionnement optimal de l’ensemble.

Notre approche d’optimisation est basée sur des modèles mathématiques qui décrivent le fonctionnement de chaque partie de l’installation. Le système photovoltaïque étudié est constitué d’un panneau photovoltaïque, un convertisseur DC/DC (Boost) commandé par une méthode intelligente (MPPT) qui présente des oscillations autour du MPPT (Maximum Power

Point tracker) lors de la recherche du point de puissance maximum. Cette dernière est utilisée comme interface entre le panneau PV et le convertisseur de puissance continu-alternatif (l’onduleur de tension à MLI) pour alimenter une charge alternatif (pompe).

À l’heure actuelle, les sources d'énergie et l’augmentation de l’effet de serre sont les problèmes d’actualité. De nombreux travaux de recherche sont menés sur l’utilisation des énergies renouvelables pour surmonter ces problèmes. Parmi ces énergies, l'énergie photovoltaïque (PV) produite par les panneaux photovoltaïques. La principale préoccupation est la production d'énergie électrique par cette technique et l’opération optimale des panneaux (PV). Cela a conduit à l’élaboration de dispositifs électroniques permettant d'utiliser efficacement ces sources alternatives. Dispositifs tels que les onduleurs conçus pour convertir une tension continue à une tension alternative désirée avec une fréquence variable devient un élément très important du système de conversion d’énergie, un aperçu général des différents types d'onduleur de PV est donné [19-23].

L’efficacité de ces convertisseurs dépend de la stratégie de commande des interrupteurs utilisés pour générer la tension et le courant de sortie souhaités avec moins de distorsion harmoniques. Il existe différents contrôleurs électroniques utilisés pour contrôler les commutateurs de l’onduleur, tels que les contrôleurs analogiques et numériques, les microcontrôleurs et les micro-ordinateurs [24-28]. Ces contrôleurs peuvent être utilisés pour améliorer les performances des onduleurs afin d'éviter une défaillance du système photovoltaïque (PV). Le contrôleur dSPACE a récemment été utilisé pour la commande des interrupteurs des onduleurs et peut être étendu aux systèmes photovoltaïques [5, 26, 27, 28]. Dans ce travail, nous présentons le modèle mathématique du système photovoltaïque décrivant le fonctionnement de chaque élément. Le modèle développé de panneaux photovoltaïques, convertisseur dc-dc (boost converter) et convertisseur dc-ac (onduleur) avec l’algorithme de commande MPPT sont simulés. De plus, la simulation et la mise en œuvre en temps réel d'un schéma de commande de modulation de largeur d'impulsion vectorielle (MLIV) est réalisée pour démontrer les bonnes performances de l’onduleur photovoltaïque lorsque dSPACE est utilisée comme contrôleur. Les tests de simulations et expérimentaux sont réalisées dans l’environnement Simulink / MATLAB et une plateforme expérimentale équipée d’une carte dSACE1104 pour l’implémentation en temps réel respectivement.

largeur d’impulsion sinusoïdale (MLIS), car il offre de grands avantages tels que des formes d’onde de sortie améliorées, des interférences électromagnétiques réduites, moins de distorsion harmonique (total harmonique distortion (THD)). Les résultats de fonctionnement en boucle ouverte ont montré que la technique MLIV possède de bonnes performances en réduction des harmoniques de courant (THD), et perturbation de couple ainsi que le temps de réponse de la vitesse de rotation montrant une bonne régulation de la vitesse. Les formes d’onde expérimentales telles que les tensions de sortie, le courant statorique, la distorsion harmonique totale et la courbe de vitesse sont mesurées et analysées.

Le travail présenté dans cette thèse s’articule autour de trois chapitres : Le premier chapitre permet de situer le contexte de cette étude. Dans ce chapitre, nous présenterons tout d’abord une recherche bibliographique sur la chaine de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique et particulièrement les principales caractéristiques d’un système photovoltaïque. Ainsi que les différentes applications de celle-ci dans le domaine des électroniques de puissance. Nous donnerons par la suite une vue d’ensemble sur les différentes techniques de recherche du point de puissance optimal. Nous nous attacherons ensuite aux principaux travaux précédemment effectués sur la modélisation simulation à l’aide du logiciel MATLAB de la chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée.

Le second chapitre est consacré à l’étude des onduleurs et leurs stratégies de commande, ainsi que les différents types d’onduleurs avec les avantages et les inconvénients. Nous donnerons par la suite les déférentes stratégies de commande appliquée à l’onduleur de tension.

Dans le dernier chapitre, nous allons présenter la validation par des testes de simulation et expérimentation du système étudié.

Enfin, ce travail sera clôturé par une conclusion générale à travers laquelle on exposera les principaux résultats obtenus et on donnera les perspectives à envisager suite a ce travail.

Chaine de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique

Introduction

Au niveau mondial, le marché des systèmes photovoltaïques connaît, un taux de croissance très élevé, de l’ordre de 30 à 40% par an. Actuellement, les sources d’énergie et l’augmentation néfaste de l’effet de serre sont des problèmes d’actualité. Ils ont poussé les scientifiques à avoir recours à de nouvelles énergies renouvelables, non polluantes. Parmi ces énergies, on trouve l’énergie photovoltaïque (PV) dont l’énergie électrique est produite par des panneaux photovoltaïques. Le problème majeur de la production d’énergie électrique par cette technique est le fonctionnement optimal des panneaux (modules) PV [29].

Dans l’industrie, les entraînements électriques exigent des vitesses variables par l’utilisation des convertisseurs statiques. Le développement de l’électronique de puissance à permis de développer des convertisseurs statiques qui assurent des entraînements alternatifs à vitesses variables. Parmi ces convertisseurs on cite les onduleurs en Modulation de Largeurs d’Impulsion MLI.

Dans ce travail, la conception et la simulation du fonctionnement électrique d'une installation photovoltaïque (PV), contrôlée par une méthode intelligente permettant de suivre le maximum de puissance produite par le générateur photovoltaïque est décrit. La simulation a été effectuée dans l'environnement Simulink / MATLAB et la tension de sortie du PV est représentée par un bloc d'alimentation de l'onduleur à courant continu.

Il existe plusieurs systèmes photovoltaïques tels que les systèmes autonomes, les systèmes hybrides, les systèmes couplés au réseau et les systèmes fonctionnant à l‘aide du PV, leurs définitions et applications sont données les sections suivantes :

I-1 Applications des systèmes photovoltaïques

Les principales applications des systèmes photovoltaïques sont données comme suit : I-1-1 Systèmes autonomes

Une installation photovoltaïque autonome fonctionne indépendamment du réseau électrique ou toutes autres sources d’énergies. Dans la majorité des cas, ce type d’installation

l’énergie, y compris lorsqu’il n’y a pas de soleil (la nuit ou en cas de mauvais temps). Donc il est nécessaire de stocker dans des batteries une partie de la production journalière des modules photovoltaïques. Cette installation se compose d’un ou plusieurs modules photovoltaïques, d’un régulateur de charge, d’une ou plusieurs batteries et d’un onduleur [30]. I-1-2 Systèmes hybrides

Les systèmes hybrides sont une association de deux ou plusieurs technologies complémentaires de manière à accroître la fourniture d’énergie. Les sources d’énergie comme le soleil et le vent ne délivrent pas une puissance constante, et leur combinaison peut permettre de parvenir à une production électrique plus continue dans le temps. Les systèmes hybrides fonctionnent par les batteries chargées par les panneaux solaires (le jour) et par le générateur éolien (lorsqu’il y’a du vent) [31].

I-1-3 Systèmes couplés au réseau

Les installations connectées au réseau électrique constituent généralement une solution parfaite pour la production de l’électricité solaire, en termes d’énergie et de coûts. Ces installations se composent de modules photovoltaïques interconnectés, d’un ou plusieurs onduleurs raccordés au réseau électrique. L’onduleur converti le courant continu généré par les modules photovoltaïques et produit un courant alternatif conforme au réseau électrique [32].

I-1-4 Systèmes fonctionnant à l‘aide de l‘énergie solaire photovoltaïque (Pompage photovoltaïque)

Dans les régions éloignées, désertiques ou montagneuses, l'alimentation en eau potable et d‘irrigation reste toujours le souci quotidien des populations. Le pompage d‘eau à l‘aide de l‘énergie solaire photovoltaïque est une solution bien adaptée pour ces endroits. En effet, la majorité de ces régions sont très ensoleillées et cette énergie a l‘avantage d‘être présente et propre contrairement à l‘énergie conventionnelle qui présente les contraintes de l‘éloignement du réseau électrique et les contraintes du transport du combustible et les entretiens périodiques pour les moteurs diesels [33].

I-2 Chaines de conversion des énergies photovoltaïques

Il existe plusieurs chaines de conversion des énergies photovoltaïques destinées pour alimenter différentes charges dont les plus importantes sont :

1er _{type de chaine}

L'onduleur à MLI triphasé en pont complet est constitué de trois demi ponts Il contient six interrupteurs formés chacun par un ou plusieurs transistors MOSFET de puissance commandés par un signal MLI.

L'onduleur, avec les fonctions associées pour obtenir l'interface optimal entre le générateur PV et le réseau, représente l’élément essentiel de la chaîne PV-Réseau pour l'opération réussite et optimale du système. La technique MLI est actuellement employée pour synthétiser une forme d'onde optimale d’un onduleur [35]. Le schéma synoptique du Système photovoltaïque couplé au réseau est illustré sur la Fig.1.2

Fig.1.1: Système photovoltaïque couplé au réseau [35]. 2éme _{type de chaine}

Les chercheures[36] [37] [38] ont étudié la chaine de pompage photovoltaïque composée d’un générateur photovoltaïque, d’un convertisseur DC-DC boost muni de sa commande MPPT, d’un onduleur et d’une pompe centrifuge entrainée par un moteur asynchrone triphasé comme illustré sur la Fig.1.3. Dans cette étude, la pompe utilisée est du type centrifuge entrainée par un moteur asynchrone triphasé qui est alimenté par un onduleur triphasé.

3éme _{type de chaine}

Dans ce type de systèmes, un moteur à courant continu est utilisé pour entraîner une pompe centrifuge ou à déplacement positif [39]. Entre le générateur PV et le moteur/pompe on intercale un convertisseur DC/DC pour améliorer son adaptation [40]. Les applications de cette configuration est généralement destinée au pompage des volumes d’eau.

Le choix d'un moteur à courant continu pour un système de propulsion PV est économique parce que le pouvoir des panneaux photovoltaïques en courant continu. En outre, les modules photovoltaïques produisent du courant continu, donc l'utilisation DC moteurs élimine le besoin de convertisseurs de puissance [34], [41], [42].

Fig.1.3: Systèmes de petite puissance

I-3 chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée

Pour notre cas d’étude nous somme intéressés à la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion photovoltaïque qui comporte un générateur photovoltaïque (GPV) qui produit la tension et le courant continu. Un hacheur élévateur est branché à la sortie GPV pour élever la tension et le courant débitant sur un convertisseur statique (l’onduleur) qui alimente à son tour la motopompe. Le schéma du système est présenté sur la Fig.1.5.

Fig.1.4 : La chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée

La chaine de production et de conversion de l’énergie photovoltaïque est composée des éléments suivants :

I-3-1 Cellule photovoltaïque

La cellule photovoltaïque est un composant électronique qui est la base des installations produisant l’énergie solaire. Elle fonctionne selon le principe de l'effet photoélectrique. Plusieurs cellules sont reliées entre-elles sur un module solaire photovoltaïque et plusieurs modules sont regroupés pour former une installation solaire. Cette installation produit de l'électricité qui peut être consommé sur place ou alimenter un réseau de distribution [43].

Le principe de l'obtention du courant par les cellules photovoltaïques s'appelle l'effet photoélectrique. Ces cellules produisent du courant continu à partir du rayonnement solaire. Ensuite l'utilisation de ce courant continu diffère d'une installation à l'autre, selon l’objectif de celle-ci. On distingue deux types d'utilisation, celui où l'installation photovoltaïque est connectée à un réseau de distribution d'électricité et celui où elle est connecté localement pour alimenter un équipement sur place.

Les cellules photovoltaïques sont les éléments qui convertissent les radiations solaires en énergie électrique. Toutefois la conversion est limitée par le spectre de la radiation solaire qui peut être utilisée.

Afin d'être protégé contre l'eau, le tiret, l'humidité et la chaleur, les cellules solaires sont placées dans une encapsulation en verre plat, simple ou double. Principalement, trois types de technologie sont employés dans la production des cellules solaires: silicium monocristallin, poly cristallin et amorphe, avec des rendements de 15%, 13% et 7% respectivement [44].

I-3-1-1 La conversion d’énergie solaire en énergie électrique

En frappant les cellules semi-conductrices, les photons du rayonnement solaire provoquent l’apparition d’un courant électrique continu de l’ordre de quelques ampères sous une tension de l’ordre de quelques centaines de millivolts [45].

Le terme « photovoltaïque » vient du Grec et qui signifie Lumière, il est composé de deux parties : « photos » (lumière) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt [46].

Si l’électron revient à son état initial, l’agitation de l’électron se traduit par un échauffement du matériau. L’énergie cinétique du photon est transformée en énergie thermique.

Par contre, dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons "arrachés" créent une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en énergie électrique: c’est l’effet photovoltaïque [47].

L’effet photovoltaïque constitue la conversion directe de l'énergie du rayonnement solaire en énergie électrique au moyen de cellules généralement à base de silicium. Pour obtenir une puissance suffisante, les cellules sont reliées entre elles et constituent le module solaire.

Afin d’augmenter la tension, les cellules sont assemblées en séries pour former des modules « panneaux solaires ». Les modules sont à leur tour mis en séries appelées «chaînes » (‘strings’) et les chaînes mises en parallèle pour obtenir des générateurs (‘arrays’). Ces derniers peuvent aller de quelques centaines de VA à plusieurs MVA. Le courant continu produit varie en permanence en fonction de l’intensité lumineuse reçue et de la température.

L’unité de mesure photovoltaïque est le Watt-crête (WC). C’est la puissance théorique exprimée en WC ou en kWC d’une installation lorsqu’elle est soumise à un éclairement de 1000 W/m2 perpendiculaire à la surface des capteurs, à une température conventionnelle de 25°C.

Fig.1.5 : Principe d’un panneau photovoltaïque [45]. I-3-1-1-a MODULE PHOTOVOLTAIQUE

Le module photovoltaïque se compose d'un nombre de cellules solaires installé en série et en parallèle dans une armature. Comme le module se compose de groupe de cellules, le modèle d'un module photovoltaïque est basé sur le modèle de la cellule solaire. Plusieurs techniques importantes ont été employés pour simuler la cellule solaire et chaque technique a une certaines simplification et particularité [48].

I-3-1-1-b MODÈLE DE CELLULES SOLAIRES

Les circuits équivalents traditionnels de la cellule solaire, représentés par une source de courant parallèlement à une ou deux diodes sont montrés sur la Fig.1.7. Le modèle simple de diode comprend quatre composants: une source de courant-photo, une diode parallèle à la source, une résistance en série Rs et une résistance de shunt Rp. Comme illustré dans Fig.1.7 (a), le modèle de double diode inclut une diode additionnelle pour un meilleur ajustement de courbes Fig.1.7(b). Ce modèle exige la connaissance de quatre paramètres aux conditions standards de l’ensoleillement et de la température. Les paramètres sont généralement donnés par le fabricant ou peuvent être obtenus à partir des essais de module sous trois conditions: courant à court-circuit (Icc), tension à circuit ouvert (Voc) et la tension (Vmpp) et le courant (Impp) au point maximum de puissance. Des coefficients de la température sont également nécessaires dans cette technique de modélisation pour considérer l'effet de la température sur les paramètres importants de la cellule solaire [49, 50, 51].

Fig.1.6 : Circuits équivalents de cellules : (a) modèle simple-diode ;(b) modèle double-diode [44]

- MODELE SIMPLIFIE A UNE DIODE

Comme présenté dans Fig.1.8, le circuit équivalent de la cellule solaire utilisée dans cette étude est encore simplifié en négligeant la résistance shunt. La relation du courant en fonction de la tension est exprimée par des équations(1) à (6) [52, 53]:

Fig.1.7: Modèle simplifié de diode d’une cellule solaire

1 exp 1 (1)

Ou

1

exp

(2)

Pour d'autres niveaux d’ensoleillement G (W/m2) et des températures T (°C), le modèle décale n'importe quel point (Iref, V réf ) des courbes de référence I -V à un nouveau point V, I sur la base des équations (4) à (8).

∆

(4)

∆

∆

1

(5)

: est le coefficient courant de changement de la température à la référence ensoleillement [Amp/°C].

∆

∆

(6)

: est le coefficient de tension de changement de la température [V/ °C].

I

I

∆I

V

V

∆V

La puissance :

P

I

V (7)

I

N

I

V_PV

N_S V_new

(8)

I-3-1-1-c CARACTERISTIQUES COURANT-TENSION

La caractéristique courant-tension (I-V) de la cellule solaire qui indique comment la cellule photovoltaïque réagie sous des conditions particulières d’ensoleillement et de température est illustrée sur la Fig.1.9.

Fig.1.8: Caractéristique courant-tension (I-V) d'une cellule solaire En observant cette caractéristique, on distingue trois points importants:

Le point un (1) correspond au courant maximum que peut fournir la cellule solaire à la tension zéro (courant à court-circuit). La partie horizontale ou la cellule se comporte comme un générateur de courant Icc proportionnelle a l’éclairement.

Le point deux (2) correspond à la puissance maximale de la cellule solaire. La zone arrondie ou l’impédance interne du générateur varie rapidement, et dans laquelle se situe le point maximum de puissance (ppm). 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5

caractéristique I-V de référence

la tension Vref (V) le c our ant I p v (A ) I _{II III} POINT2 POINT3 POINT1

Le point trois (3) correspond à la tension maximale de la cellule solaire sans charge; conditions (circuit ouvert). La partie verticale ou la cellule se comporte comme un générateur de tension Voc.

Sans tenir compte de la tension-courant (I-V), la caractéristique peut être divisée en trois intervalles différents:

L’intervalle où la cellule solaire, est considéré comme source de courant; le courant est constant mais la tension est variable (intervalle I).

L’intervalle, où la cellule solaire, n'est pas considéré comme source de courant ni une source de tension (intervalle II).

L’intervalle où la cellule solaire, est considéré comme une source tension, la tension est constante, le courant est variable (intervalle III).

Une fois la cellule solaire est chargée avec une charge résistive constante, la charge est présentée avec un point quelque part sur la caractéristique de cellules (I-V). Quand la charge augmente, le point de fonctionnement se déplace le long de la caractéristique vers la droite. Tandis que, une diminution de la charge fait monter le point de fonctionnement de la caractéristique vers la gauche [44].

I-3-1-1-d PARAMETRES DE LA CELLULE SOLAIRE

La cellule solaire est caractérisée par le rendement de conversion, une tension à circuit ouvert Voc, un courant à court-circuit Icc. Ces paramètres sont déterminés à partir des caractéristiques courant-tension. Leurs déterminations permettent les comparaisons de différentes cellules éclairées en conditions similaires [48].

d-1 COURANT DE COURT-CIRCUIT (Icc)

Le courant de court-circuit est le courant obtenu quand les bornes de cellules sont court-circuitées (V=0 sur la Fig.1.9). Ce courant augmente linéairement avec l'intensité d'illumination de la cellule.

d-2 TENSION DE CIRCUIT OUVERT (Voc)

La tension de circuit ouvert est obtenue quand le courant de cellules est nul. Il est lié à la résistance de shunt et à la barrière d'énergie. Sa valeur diminue avec la température et change peu avec l'insolation [48].

I-3-1-1-e EFFET DE L’ENSOLEILLEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES (I-V) La Fig.1.10, présente la caractéristique I-V d'un module photovoltaïque pour différents ensoleillements à la température fixe. Comme on peut l'observer sur la Fig.1.10, le courant du

module est proportionnel à l'ensoleillement, tandis que la tension de circuit-ouvert change légèrement avec l’ensoleillement.

Fig.1.9: Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module I-V à T=25 °C

Fig.1.10: Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module P-V à T=25 °C (la puissance délivrée par une cellule)

Exprimant les courbes I=f(V) sous diverses intensités de rayonnement, on remarque sur la partie gauche que le courant est directement proportionnel au rayonnement, par contre la tension n’est pas très dégradée lorsque la lumière baisse (ça dépend en fait du matériau de construction de la cellule).

Concernant les courbes P=f(V) Fig.1.12, on constate une augmentation de puissance directement proportionnelle à l’augmentation de l’éclairement.

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

la tension Vref (volt)

le c o u ra n t Ip v (A ) caractéristiques courant-tension G=00 w/m2 G=200 w/m2 G=400 w/m2 G=600 w/m2 G=800 w/m2 G=1000 w/m2 G=1200 w/m2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 100 200 300 400 500 600 700 800 la tension (V) la p u is s anc e( W )

caractéristique puissance - tension G=200w/m2 G=400 w/m2 G=600 w/m2 G=800w/m2 G=1000w/m2 G=1200w/m2

Fig.1.11: Effet de l’ensoleillement sur la caractéristique du module P-V à T=25 °C (la puissance délivrée par un panneau)

I-3-1-1-f EFFET DE TEMPERATURE SUR LES CARACTERISTIQUES I-V

L’influence de la température sur la caractéristique de la cellule solaire est représentée sur les Fig.1.13, 14, 15 pour un éclairement fixe.

Il est évident dans ce cas qu’un changement de température influe et change l’allure des deux caractéristiques précédentes.

- Ce changement se traduit sur la caractéristique (I-V) en la diminution de la tension de circuit ouvert Voc, quant la température de la cellule augmente.

Fig.1.12: Effet de la température sur la caractéristique du module I-V à un ensoleillement constant (1000W/m2_). 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3x 10 4 la tension (V) la pui s s anc e ( W )

caractéristque puissance - tension

G=200w/m2 G=400w/m2 G=600W/m2 G=800w/m2 G=1000w/m2 G=1200w/m2 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 2.4 2.6 2.8 3 3.2 3.4 la tension Vref (v) le c o ur an t ( A )

caractéristique courant - tension

T=45°c T=35°c T=25°c

- Sur les caractéristiques P-V

Fig.1.13: Effet de la température sur la caractéristique du module P-V à G=1000 W/M2 _{(la puissance délivré par une cellule).}

Quant a la caractéristique exprimant la puissance, on observe une diminution de puissance quant la température augmente.

Fig.1.14: Effet de la température sur la caractéristique du module P-V à G=1000 W/M2 _{(la puissance délivré par un panneau).}

I-3-1-2 interprétation des résultats

La caractéristique I(V) nous montre que la cellule PV est une source de courant constant pour des faibles valeurs de la tension avec un courant approximativement égal au courant de court circuit (Icc). Avec l’augmentation de la tension, le courant commence à diminuer exponentiellement jusqu'à la valeur zéro où la tension est égale à la tension de

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 la tension Vref (V) la pui s s a nc e ( W )

caractéristques puissance tension

T=25°c T=35°c T=45°c 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2x 10

4 _{caractéristiques puissance - tension}

la pui s s anc e ( W ) la tension Vref (V) T=25°c T=35°c T=45°c

fonctionne au rendement le plus élevé; c’est le point de puissance maximum (MPP, maximum power point). La conception des systèmes photovoltaïques est de faire fonctionner le system à ce point, ce qui est compliqué par le fait que le point maximum de puissance change avec l'éclairement et la température.

I-3-2 Recherche du point de puissance optimal

Le branchement d’une charge à un générateur photovoltaïque est le mode de couplage le plus simple. Le point de fonctionnement dans ce cas se situe à l’intersection de la droite de charge et de la caractéristique I-V du générateur. Ce point ne peut pas coïncider avec le point de puissance maximale, il résulte une perte de puissance maximale du système. Ce problème peut être résolu soit par le changement de configuration du générateur photovoltaïque, soit par l’adjonction d’un dispositif de recherche de point de puissance maximale placé entre le générateur et le convertisseur continu – continu (hacheur élévateur) pour assurer l’adaptation d’impédance.

La cellule (ou module) photovoltaïque a un point de puissance maximale (PPM) qui varie en fonction de l'ensoleillement et de la température. Ceci est obtenu par l’intermédiaire des commandes MPPT, ‘Maximum Power Point Tracking’ analogiques ou numériques.

Il est conçu généralement avec un convertisseur qui règle la puissance tirée du panneau solaire. En changeant la commande des commutateurs, l'énergie transférée par le convertisseur peut être commandée avec précision.

Le point maximum de puissance (MPP) est généralement contrôlé par deux variables de commande. La tension ou la puissance est à chaque fois mesurée est employé à nouveau dans une boucle pour déterminer si le module solaire est au point de puissance maximale [54]. Plusieurs travaux sur des commandes assurant un fonctionnement de type MPPT apparaissent régulièrement depuis 1968, date de publication de la première loi de commande de ce type adaptée à une source d’énergie renouvelable de type PV.

En littérature on trouve couramment les techniques de maximisation de puissance illustré dans l'organigramme suivant:

Fig.1.15: Organigramme de différentes méthodes de commande

Chacune de ces techniques à ces avantages et inconvénients du point de vue simplicité, efficacité et robustesse. La technique choisie pour réaliser ce travail s’appelle ‘perturbation et observation (P&O : Perturb-and-Observe).

I-3-2-1 La commande Maximum Power Point Tracking (MPPT)

Dans ce travail, un tracker du point de puissance maximale pour un panneau photovoltaïque est proposé. Les paramètres flous d’entrée, d P / dV et la variation du rapport cyclique (ΔD), sont utilisés pour générer l’optimum du point de puissance maximale et en convertissant le rapport cyclique, tels que la puissance maximale des panneaux solaires soit produite sous différentes conditions de fonctionnement [

43]

Si plus généralement, on désire suivre le point de puissance maximale en s’affranchissant de la connaissance des paramètres qui modifient sa position, on doit recourir aux techniques d’asservissement, en utilisant la plus souple, celle de perturbation et observation (P&O).

Cet algorithme se base sur la recherche du point de fonctionnement optimal par la perturbation du point de fonctionnement et l'observation de l'effet de cette perturbation sur la puissance débitée par le générateur PV. Une consigne de commande est alors élaborée en fonction de l'observation. Dans cette approche, on maximise la puissance délivrée à la charge et non la puissance permettant un rendement maximal de cette charge [55,56].

L'algorithme P&O est le plus utilisé dans la littérature. Il permet de déterminer le point de puissance maximale pour un ensoleillement et une température ou un niveau de dégradation des caractéristiques. Le problème avec cet algorithme est:

• l'oscillation autour du point de puissance maximale dans les conditions de fonctionnement normales.

• la mauvaise convergence de l'algorithme dans le cas des variations brusques de la température et/ou de l'ensoleillement [56].

C’est l’algorithme de poursuite du point de puissance maximale (PPM) le plus utilisé, et comme son nom l’indique il est basé sur la perturbation du système par l’augmentation ou la diminution de Vref ou en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur DC-DC, puis l’observation de l’effet sur la puissance de sortie en vue d’une éventuelle correction de ce rapport cyclique.

Si la valeur de la puissance actuelle P(k) du générateur est supérieure à la valeur précédente P(k-1) alors on garde la même direction de perturbation précédente sinon on inverse la perturbation du cycle précédent. La Fig.1.17 donne l’organigramme de cet algorithme [57].

Elle est basée sur le fait que la dérivée de la puissance de sortie Ppv par rapport à la tension de panneau Vpv est égale à zéro au point maximum de puissance.

La caractéristique Ppv -Vpv du panneau PV sur la Fig.1.17 montre que cette dérivée est positive à gauche du point maximum de puissance et négative à droite du point maximum de puissance [58],[59] .

Fig.1.16 : Caractéristique de la puissance. Ceci nous conduit aux équations suivantes:

∗

I V 0 (9) Au MPP

∗ _{I V 0 (10) à gauche du MPP}

∗

I V 0 (11) à droite du MPP Ces équations peuvent être écrites comme :

Au MPP (12) à gauche du MPP (13) à droite du MPP. (14)

Ces équations peuvent être utilisées comme algorithme de commande pour contrôler le point de fonctionnement du convertisseur en mesurant l’accroissement de la conductance et la

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 200 300 400 500 600 700 800 900 voltage (V) pow e r ( W )

characteristic power - voltage

dP/dV =0

dP/dV >0

dP/dV <0

I-3-2-2 Synthèse d'algorithme de recherche du point de puissance maximale

L’algorithme de recherche du point de fonctionnement maximal est établi comme suivant: - Déterminer, pour un éclairement et température donnée, la caractéristique I(V) du générateur et le point de puissance maximale (VMP, IMP, PMP)

[47][25]

Fig.1.17: Organigramme de l’algorithme Perturbation et Observation [43]

La Fig.1.17, montre l'organigramme de l'algorithme de P&O ; son résultat de simulation est donné par la Fig.1.18 ci-dessous :

Fig.1.18 : La commande MPPT I-3-3 CONVERTISSEURS DC-DC POUR MPPT

Un MPPT peut être conçu sur la base des topologies Buck ou Boost converter. Le convertisseur buck est généralement employé pour abaisser la tension de sortie et le convertisseur boost est employé pour obtenir des tensions de sortie plus élevées.

Le hacheur est convertisseurs statique continu- continu on l’appelle aussi variateur de courant ou de tension. Son rôle est de transférer l’énergie d’une source continu à une charge alimenter en continue avec un rendement élevé. Son utilisation s’avère nécessaire pour stocker l’énergie photovoltaïque dans des batteries, ou pour alimenter une charge continue [60, 61, 62, 63, 64, 65].

Vu que le courant et la tension délivrés par un panneau PV varient en fonction de la température ambiante et l’ensoleillement pour tirer le maximum de puissance du panneau PV. Cette commande appelée MPPT (Maximum Power Point Tracker), assure l’adaptation entre les condition optimales de fonctionnement (Iopt, Vopt) avec les sorties (Vd ,Id) du capteur photovoltaïque

Il est également très employé dans l’alimentation à découpage. Leur utilisation permet le contrôle la puissance électrique dans des circuits fonctionnant en courant continu avec une très grande souplesse et un rendement élevé.

D’un point de vue circuit, les hacheurs apparaissent comme un quadripôle, jouant le rôle d’organe de liaison entre deux parties d’un réseau, on peut le considérer comme un transformateur continu.

Si Ve et Ie sont des grandeurs du quadripôle, Vs et Is les grandeurs de sorti, les hacheurs introduit des relations entre ces grandeurs par l’intermédiaire de paramètres variables, ces relations ne sont pas linéaires [66].

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 la c o m m ande temps (s) la commande MPPT

Toutefois, il sera possible d’établir des relations linéaires entre les valeurs moyennes de ces grandeurs qui permettront de caractériser l’échange de puissance moyenne contrôlée par les hacheurs.

Un hacheur est un montage utilisant des transistors ou thyristor qui sera coupé ou établi en courant continu en des instants prévus, mais a des fréquences très élevées allant jusqu’à 10 KHz.

Les convertisseurs DC-DC (ou hacheurs) sont utilisés dans les systèmes d'énergie solaire pour adapter la source continue à amplitude variable (panneau PV) à la charge qui demande en général une tension DC constante. Les trois configurations de base sont :

- Convertisseur dévolteur. - Convertisseur survolteur.

- Convertisseur dévolteur- survolteur.

Les hacheurs permettent donc d’obtenir une tension continue réglable à partir d’une tension continue constante suivant le composant électronique utilisé, on distingue deux types de hacheur :

Les hacheurs à transistors : pour les petites et moyennes puissances.

Les hacheurs à thyristors pour les grandes puissances : la mise en œuvre du thyristor dans les interrupteurs lors du blocage n’est pas naturelle.

Cette source de courant sera réversible en tension si la f.e.m (E) est réversible (réversibilité de vitesse ou de flux inducteur). Elle sera réversible en courant si le couple est réversible (fraction/freinage). Dans un deuxième temps en tiendra effectivement compte des éléments électriques qui constituent le dipôle [66].

I-3-3-1 Les applications des hacheurs sont nombreuses

En forte puissance, ils interviennent comme organe de réglage de puissances électriques, ils peuvent s’associer à d’autres convertisseurs pour contribuer à des conversions indirectes.

Dans les alimentations des tensions par exemple le cahier des charges impose à la sortie du convertisseur une tension parfaitement continue (avec un taux d’ondulation négligeable), l’entrée étant une source de tension constante.

A la structure élémentaire du hacheur viennent alors d’associer des éléments linéaire inductance, capacité) qui sont des éléments d’adaptation (transformation d’une source de tension en source de courant) et de filtrage.

I-3-3-2- Le choix du convertisseur continu – continu

I-3-3-2-a Hacheur Buck (série) (abisseur de tension)

Le convertisseur Buck (série) est utilisable lorsque la tension de la charge est inférieure à celle du panneau photovoltaïque. Alors que le convertisseur boost est utilisable lorsque la tension de la charge est supérieure à celle du panneau [66]. Un MPPT peut être conçu en se basant sur les topologies Buck ou Boost.

I-3-3-2-b Hacheur parallèle (élévateur de tension)

- Principe de fonctionnement du convertisseur « boost »

Dans le cas d’un convertisseur « boost » la tension de sortie V est supérieur à la tension d’entrée Vin, d’où son nom. Le schéma d’un convertisseur « boost » est montré à la Fig.1.19

Fig.1.19: Schéma de principe d’un convertisseur « boost »

Le fonctionnement du circuit peut être divisé en plusieurs temps. Le 1ier _{temps commence} quand le transistor S est fermé, à t = 0. Le courant de l’inductance est alors croissant, ce courant traverse le circuit d’entée, mais n’atteint pas la charge.

Le 2ieme temps commence quant le transistor S est bloqué à t = t1. Dans ce cas, le courant de l’inductance décroisant si la tension de sortie est supérieur à celle d’entrée travers