Optimisation de rendement énergétique d'un panneau solaire, application au pompage solaire

Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique

Université de Jijel

Faculté des Sciences et de la Technologie Département d’électrotechnique

Mémoire

De fin d’études pour l’obtention du diplôme Master II él ectrotechnique industrielle

Thème

Optimisation de rendement énergétique d'un panneau solaire : (application au pompage solaire)

Encadré par : Mr : Taibi Djamel Mr : lyes aomar

Réalisé par:

M

^r

: Dada Moussa Abde Alkader M

^r

: Merimeche Mouad

Promotion 2018

Remerciement

Nous remercions tout d’abord ALLAH le tout puissant pour nous avoir donnés la force et le courage pour faire aboutir ce travail.

Nous tenons aussi à exprimer notre gratitude et nos sincères remerciements à nos encadreurs

Monsieur

D. Taibi Djamel et Monsieur I.aomar pour avoir dirigé

ce mémoire, pour son temps qu’il a accordé, ses conseils, ses encouragements et les précieuses orientations qui ont contribué à baliser le parcours de cette

recherche.

Nous remercions les membres de jury qui ont accepté d’examiner notre modeste travail, pour leur disponibilité et leur confiance.

Nous remercions aussi nos enseignants de département d’électrotechnique de l’université de Jijel qui nous guident pendant les 5 années d’étude.

Un tel travail est également le résultat des efforts de beaucoup de personnes qui nous ont aidés énormément, à ceux qui nous ont facilités l'accès à l'information

pour l’élaboration de ce mémoire.

Abde alkader et Mouad

Liste des figures

Fig. (I.1) : Types de rayonnement solaire reçus 5

Fig. (I.2): Intensité de l’ensoleillement 6

Fig. (I.3): Rayonnement solaire 6

Fig. (I.4) : Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique 7 Fig. (I.5) : Schéma général d’un système de pompage photovoltaïque 9

Fig. (I.6) : Champ photovoltaïque 9

Fig. (I.7) : Diagramme du pompage PV par motopompe à DC 11

Fig. (I.8) : Diagramme du pompage PV par motopompe à AC 12

Fig. (II.1): Circuit équivalent d’une cellule PV photovoltaïque 15 Fig. (II.2) : Caractéristique I-V et P-V d’un module à 25°C 17 Fig. (II.3) : Caractéristique I-V et P-V d’un module E=1000 w/m² 18 Fig. (III.1) : Différents dispositions d’aimants permanents dans un rotor

(Acarnley, 2006)

23

Fig. (III.2) : Caractéristique du couple-angle électrique 23

Fig. (III.3) : Schéma de la machine synchrone 25

Fig. (III.4) : Schéma de la machine synchrone dans le référentiel (d, q) 26

Fig. (III.5) : Ensemble Commande – Onduleur –Moteur 28

Fig. (III.6) : Machine à Courant Continu 28

Fig. (III.6) : Schéma fonctionnel du régulateur de courant 30 Fig. (III.7) : Schéma fonctionnel du régulateur de vitesse 31

Fig. (III.6) : Schéma de la commande vectorielle du MSAP 32

Fig. (III.7) :

Liste des tableaux

Tableau I-1 Les différents types des cellules avec leur rendement 8 Tableau I-2 Comparaison entre les deux types de pompage utilisé 13 Tableau II-1 Caractéristiques électriques et mécanique du MSAP 19 Tableau IV-1 Etape de correction et de prédiction dans un Filtre de Kalman 42 Tableau IV-1 Les étapes de prédiction et de correction de MPPT 45

Fig. (IV-2) Caractéristique Ppv(Vpv) d'un panneau solaire. 39

Fig. (IV-3) Algorithme de la méthode P&O. 40

Fig. (IV-4) Divergence de la commande P&O lors de variation d'irradiation 41 Fig. (IV-5)

Schéma fonctionnel du MPPT dans le système PV

46

Fig. (IV-6) Schéma fonctionnel du MPPT dans le système PV 47 Fig. (IV-7) Schéma de simulation de système de pompage solaire munie d’une

MPPT

49

Fig. (IV-8) Caractéristique électrique et mécanique de MSAP 50

Introduction générale ... 1

Chapitre I : Généralité sur le système de pompage solaire

I-1 Introduction ... 4

I-2 Rayonnement solaire ... 4

I-2-1 Classification du rayonnement solaire ... 4

I-2-2 Spectre du rayonnement ... 6

1-3 Conversion photovoltaïque ... 6

I- 3-1 Principe de la conversion photovoltaïque ... 6

I-3-2 Cellule photovoltaïque ... 7

I-3-3 Types des cellules ... 7

I-3-4 Rendement d’une cellule ... 8

I-4 System de pompage photovoltaïque ... 8

I-4-1 Générateur photovoltaïque ... 9

I-4-2 Moteurs électriques d’entrainement ... 10

I-4-3 Elément de régulation et contrôle ... 10

I-5 Pompage solaire : ... 12

I-6 Conclusion ... 14

Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque

II-1 Introduction ... 15

II-1 Modélisation et simulation du générateur photovoltaïque ... 15

II-1-1 Modèles électriques d’une cellule PV ... 15

II-1-2 Simulation du générateur PV ... 16

II-3 Choix du moteur électrique ... 18

II-4 Pompe photovoltaïque ... 19

II-4-1 -Modélisation de la pompe ... 19

III-1 Introduction ... 21

III-2 Présentation de la MSAP ... 21

III-3 Analyse du fonctionnement de la MSAP ... 23

III-3-1 Avantages de la MSAP ... 24

III-3-2 Inconvénients de la MSAP ... 24

III-4 Modélisation de la machine synchrone à aimant permanent ... 24

III-4-1 Mise en équation de la machine synchrone ... 25

III-4-2 Equations électriques ... 25

III-4-3 Equations magnétiques ... 25

III-4-4 Transformation de Park ... 26

III-4-5 Modèle de la MSAP dans le référentiel de Park ... 27

III-4-6 Equations mécaniques ... 27

III-5 La commande vectorielle ... 28

III-6 Principe de la commande vectorielle de la MSAP ... 28

III-7 Avantages et inconvénients de la commande vectorielle ... 29

III-7-1 Avantages de la commande vectorielle... 29

III-7-2 Inconvénients de la commande vectorielle... 29

III-8 La Régulation ... 29

III-8-1 Régulateur de courant ... 29

III-8-2 Régulateur de vitesse : ... 30

III-8-4 Description du système global ... 32

III-9 simulation et résultat ... 32

III-9- 1 Résultats de simulation ... 33

III-9-2 Discutions des résultats ... 35

III-10 Conclusion ... 35

Chapitre IV : Poursuite du point de puissance maximale

IV-1 Introduction ... 36

IV-2 Suivi de la puissance maximale de générateur photovoltaïque ... 36

IV-3 Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT) ... 36

IV-6-1 Principe des commandes "Perturbation et Observation" (P&O) : ... 38

IV-6-2 Structure de l'algorithme P&O ... 39

IV-7 MPPT basé sur le Filtre de Kalman ... 42

IV-7-1 Modèle de Filtre de Kalman ... 42

IV-7-2 Algorithme MPPT basé sur le filtre de Kalman... 43

IV-8 Etude comparative entre Filtre Kalman et P&o ... 45

IV-9 Simulation et résultats... 45

IV-10 Conclusion ... 47

Conclusion générale ... 48

Introduction générale

Parmi les grands enjeux des temps modernes, l’approvisionnement en eau, soit pour la consommation domestique (de personnes), soit pour l’agriculteur (élevage et irrigation) [01].

Ce problème est lié directement à un autre enjeu qui est l’apport de l’énergie nécessaire.

En Algérie, malgré les grands efforts et travaux réalisés par la SONELGAZ, plusieurs régions restent non connectées au réseau public d’électricité. Citons par exemple les régions sahariennes qui se situent loin des villes [01].

Ceci constitue un inconvénient majeur pour les agriculteurs, car pour eux l’eau est suffisamment disponible. Mais l’énergie requise est soit absente, soit très chère à obtenir. [02]

Plusieurs ressources d'énergie renouvelables ont été découvertes ces dernières années, notamment, l'énergie éolienne, hydraulique et l'énergie photovoltaïque, cette dernière est l'une des énergies les plus renouvelables dans le monde

L’une des applications les plus importantes de l’énergie solaire photovoltaïque(PV) est le pompage de l’eau, en particulier dans les zones rurales qui ont une quantité considérable de rayonnement solaire et n'ont pas accès aux réseaux électrique. Les systèmes PV de pompage utilisent généralement des pompes de faible puissance allant de 200-2000 W. Ils sont largement utilisés pour l’approvisionnement en eau potable pour les ménages, l’apport en eau pour les bétails et l’irrigation à petite échelle.

Un système de pompage d’eau photovoltaïque est généralement alimenté par un système comprenant un générateur photovoltaïque, un groupe moteur-pompe et un réservoir d’eau pour assurer la continuité de l’approvisionnement lorsque l’énergie solaire ne suffit pas.

Deux types de systèmes peuvent être utilisés, le premier est constitué d'un générateur PV couplé directement à un groupe motopompe, le deuxième est composé d'un générateur PV couplé à une motopompe CC ou AC à travers un convertisseur continu-continu fonctionnant en MPPT (Maximum Power Point Tracking) pour la machine continue et toujours un convertisseur continu-continu fonctionnant en MPPT couplé à un convertisseur continu alternatif pour la machine alternative [4], [5].

Généralement, les systèmes photovoltaïques nécessitent des batteries, d’un chargeur, d’une hachure et d’un onduleur de tension. Dans cette connexion la MPPT est conçu pour contrôler le chargeur de batterie ou le convertisseur de puissance pour améliorer l'efficacité du

système. On constate que le coût du système est augmenté en raison de l'utilisation de plusieurs composants.

La tension du générateur PV peut être utilisée directement sans utiliser le hachure. En outre, la MPPT peut être réalisée en contrôlant la vitesse du moteur. Cette simple connexion présente certains avantages tels que, le hachure, la batterie et son chargeur ne sont pas requis.

En désavantage, on peut dire que ce système ne fonctionne que pendant la journée. S'il est nécessaire de travailler pendant toute la journée, un système de stockage peut être facilement ajouté à ce système.

Le rendement des systèmes photovoltaïques peut être amélioré par des solutions utilisant les techniques de recherche du point de puissance maximale (dites techniques MPPT). [5]

Dans ce mémoire, nous nous sommes intéressés essentiellement au développement d’une procédure d’optimisation qui permet la poursuite de point de la puissance maximale (Maximum Power Point Tracking MPPT) d’un générateur photovoltaïque (GPV), pour une bonne exploitation du générateur photovoltaïque dans un système de pompage solaire. Ceci nécessite l’implémentation d’une technique de poursuite de point maximale de puissance, telle que la méthode de Perturbation-Observation (P&O) et MPPT basé sur le filtre de Kalman. Ainsi, nous présentons dans ce projet la simulation sous MATLAB/SIMULINK d’une commande MPPT basée sur deux algorithmes MPPT qui sont P&O, et MPPT basé sur le filtre de Kalman.

Ce mémoire a été divisé en quatre chapitres dont le contenu est résumé ci-dessous :

 Le premier chapitre donne une description générale des systèmes photovoltaïques, ainsi que des notions sur les différents systèmes PV et sur les différentes parties constituant notre système de pompage

 Dans le second chapitre, on passe en revue au dimensionnement des différents éléments de système de pompage photovoltaïque. Un moteur MSAP et modèle d’une pompe immergée sont proposés.

 Dans le troisième chapitre, une commande vectorielle du MSAP alimenté par un générateur photovoltaïque connecté directement via un onduleur avec une commande

Enfin, nous terminerons cette mémoire par une conclusion générale dans laquelle nous donnerons quelques commentaires concernant nos travaux et quelques perspectives qui pourront faire suite à cette recherche.

Chapitre I

Généralités sur le système de pompage

solaire

I-1 Introduction

Depuis très longtemps, l'homme a cherché à utiliser l'énergie émise par le soleil, l'étoile la plus proche de la terre. La plupart des utilisations sont directes comme en agriculture, à travers la photosynthèse, ou dans les diverses applications de séchage et chauffage, autant artisanale qu'industrielle. Cette énergie est disponible en abondance sur toute la surface terrestre et malgré une atténuation importante lors de la traversée de l'atmosphère, la quantité restante demeure encore importante quand elle arrive au sol.

On peut ainsi compter sur 1000 W/m2 crête dans les zones tempérées et jusqu'à 1400 W/m2, lorsque l'atmosphère est faiblement polluée en poussière ou en eau [5].

L’énergie photovoltaïque résulte de la transformation directe de la lumière du soleil en énergie électrique aux moyens des cellules généralement à base de silicium cristallin qui reste le domaine le plus avancé sur le plan technologiques et industriel, en effet le silicium et l’un des éléments les plus abondants sur terre sous forme de silice non toxique.

Dans ce chapitre, on fait en premier lieu une généralité sur l’énergie solaire, son utilisation et les caractéristiques principales du générateur photovoltaïque. En second lieu on expose d’une manière générale le fonctionnement et les spécifications des systèmes de pompage photovoltaïque.

I-2 Rayonnement solaire

Afin de quantifier l’énergie développée par le générateur photovoltaïque dans une application donnée, il est nécessaire de connaître le spectre du rayonnement solaire reçu sur sol.

I-2-1 Classification du rayonnement solaire

Trois types de rayonnement ont été répertoriés dans la littérature [6]

Le rayonnement direct :

La conversion du rayonnement direct (E.D) est une fonction trigonométrique. Le rayonnement direct, sur le plan horizontal, est la différence entre le rayonnement global et le rayonnement diffus.

Le rayonnement diffus :

Il est dû à l’absorption et à la diffusion d’une partie du rayonnement solaire global par l’atmosphère et à sa réflexion par les nuages et les aérosols.

Le rayonnement réfléchi ou l’albédo du sol :

C’est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige, etc.…).

I-2-1-1 Le rayonnement global :

Le rayonnement global est subdivisé en rayonnements directs, diffus et reflété par le sol. La figure. (I.1) illustre l’ensemble des rayonnements solaires reçu sur une surface terrestre.

L’intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan quelconque à un moment donné est appelée irradiation ou éclairement (noté généralement par la lettre G), il s’exprime en watts par mètre carré (W/m²). La valeur du rayonnement reçu par la surface du module photovoltaïque varie selon la position de ce dernier. Le rayonnement solaire atteint son intensité maximale lorsque le plan du module photovoltaïque est perpendiculaire aux rayons.

Dans la figure Fig. (I.2) on montre l’effet de l’inclinaison des modules photovoltaïques sur l’intensité de l’éclairement reçu sur leurs surfaces du lever au coucher du soleil [7].

Fig. (I.1) : Types de rayonnement solaire reçus 5mmmmmmm[]au sol.

Fig. (I.2): l’effet de l’inclinaison des modules photovoltaïques sur l’intensité de l’éclairement

I-2-2

Spectre du rayonnement

Le rayonnement électromagnétique est composé de «grains» de lumière appelés photons. L’énergie de chaque photon est directement liée à la longueur d’onde, elle est donnée par la formule suivante :

𝐸 =

^ℎ𝑐

𝜆

(I.1)

Où :

h: Constante de Planck. ℎ = 62 10⁻³⁴ 𝐽𝑠⁻¹ C: Vitesse de propagation égale à 3. 10⁸ 𝑚𝑠⁻¹

𝜆 :

Longueur d’onde

1-3 Conversion photovoltaïque

I- 3-1 Principe de la conversion photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 et 0.7 V en fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule.

La figure suivante illustre une cellule PV.

Une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au Bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore), créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel.

La tension maximale de la cellule est d’environ 0.6 V pour un courant nul, cette tension est nommée tension de circuit ouvert VOC.

Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court- circuitées ; il est appelé courant de court-circuit ISC et dépend fortement du niveau d’éclairement. [8]

I-3-2 Cellule photovoltaïque

Les cellules photovoltaïques sont des dispositifs électronique réalisées à l'aide des composants semi-conducteurs qui possèdent la particularité de produire l'électricité quant 'ils sont éclairés. Elles sont généralement faites du silicium sous ses différentes formes. Ceci donne naissance à plusieurs espèces de cellules [9]

I-3-3 Types des cellules

La plupart des cellules solaires disponibles sur le marché mondial, sont à base de Fig. (I.4) : Principe de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique.

Tableau 1-1.Les différents types des cellules avec leur rendement. [13]

compliquée. [10]

 Les cellules poly cristallin : Leur conception étant plus facile, leur coût de fabrication est moins important, cependant leur rendement est plus faible. [11]

 Les cellules amorphes : Elles ont un faible rendement, mais ne nécessitent que de très faibles épaisseurs de silicium et ont un coût peu élevé. Elles sont utilisées couramment dans de petits produits de consommation telle que des calculatrices solaires ou encore des montres. [12]

I-3-4 Rendement d’une cellule

Le tableau I .1 présente le rendement de trois familles de cellules existant dans ce domaine photovoltaïque :

Technologie de cellules Rendement en laboratoire Rendement production

Silicium amorphe (a-Si) 13% 5 à 9%

Silicium poly cristallin (p-Si) 19.8% 11 à 15%

Silicium monocristallin (m-Si) 24.7% 13 à 17%

I-4 System de pompage photovoltaïque

Le pompage de l’eau est l’une des applications les plus courantes utilisant l’énergie solaire pour l’irrigation ou l’alimentation en eau potable ; ses performances dépendent des caractéristiques du site (ensoleillement, température ambiante, obstacles géographiques), du rendement des modules mais aussi des caractéristiques des autres équipements (onduleur, moteur, pompe,…).

Le schéma général d’un système de pompage photovoltaïque étudié dans ce mémoire est le suivant :

I-4-1 Générateur photovoltaïque

Un générateur photovoltaïque se compose d'un certain nombre de modules connectés en série et en parallèle pour fournir le courant et la tension nécessaires.

La tension de sortie du générateur photovoltaïque dépend du nombre de modules en série alors que le courant de sortie dépend du nombre de modules en parallèle. [13]

Fig. (I.5) : Schéma général d’un système de pompage photovoltaïque

Fig. (I-6) : Champ photovoltaïque

I-4-2 Moteurs électriques d’entrainement

Un moteur électrique est un dispositif électromécanique permettant la conversion d'énergie électrique en énergie mécanique. La plupart des machines électriques fonctionnent grâce au magnétisme, il existe deux types de moteurs : à courants continu et alternatif.

 Moteur à courant continu : les moteurs à courant continu utilisés pour des applications de pompage solaire sont les moteurs en excitation série, avoir un couple de démarrage suffisant pour vaincre la résistance de démarrage d’une pompe et bien répondre à un courant variable. Le couplage est direct ou avec optimisation du générateur par un hacheur adaptateur de puissance commandé par son rapport cyclique. L'installation ainsi définie nécessite une électronique relativement simple mais présente l'inconvénient du moteur à courant continu qui demande un entretien régulier. Les balais doivent être changés périodiquement. Ceci est particulièrement problématique dans le cas des pompes à moteur immergé où la pompe doit être retirée du forage pour changer les balais. , il est utilisé particulièrement pour le pompage dans les puits ouverts.



Moteur à courant alternatif : Les moteurs alternatifs synchrones (rotor à cage) sont les plus couramment employés pour une gamme variée d’applications industrielles. Par exemple, les pompes sur réseau utilisent depuis longtemps ce type de moteur. Il est utilisé particulièrement pour le pompage immergé dans les forages et les puits ouverts. L’arrivée d’onduleurs efficaces a permet l’utilisation de ce type de moteurs dans les applications de pompage solaire. L'utilisation d'un moteur synchrone (à courant alternatif triphasé) plus robuste et moins cher (aussi faible besoin de maintenance) devient une solution plus économique et plus pratique même au prix d'un circuit électronique de commande plus complexe [14].

I-4-3 Elément de régulation et contrôle

Selon le type des moteurs (Moteur à courant continu ou Moteur synchrone) utilisés pour entrainer la pompe on distingue le deux type de convertisseur :

 Le convertisseur DC/DC (Hacheur)

Afin d’extraire à chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du générateur PV et de la transférer à la charge (pompe alimentée par moteur à courant continu), la technique utilisée classiquement est d’utiliser un étage d’adaptation entre le générateur PV et la charge comme décrit dans la figure I-7. Cet étage joue le rôle d’interface entre les deux éléments en assurant à travers une action de contrôle commandé par son rapport cyclique, le transfert du maximum de puissance fournie par le générateur pour qu’elle soit la plus proche possible de la puissance maximale disponible.

Fig. (I.7) : Diagramme du pompage PV par motopompe à DC

 Le convertisseur DC/AC (onduleur) :

La fonction principale de l’onduleur est de transformer le courant continu, produit par les panneaux solaires en un courant alternatif triphasé pour actionner le groupe moteur-pompe.

L'onduleur fonctionne évidemment avec un circuit de génération des signaux PWM commandé par un circuit de régulation et de protection. Le convertisseur DC/AC assure le transfert optimal de puissance du générateur solaire vers le groupe moteur pompe et protège la pompe contre le fonctionnement à vide lorsque il n y a pas d'eau dans le puits. Le rendement de l’onduleur est généralement élevé pour valoriser au mieux l’énergie produite par le générateur. Il est de l’ordre de 95 % au point de fonctionnement nominal

Fig. (I.8) : Diagramme du pompage PV par motopompe à AC

I-5 Pompage solaire :

Une pompe photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu’elle fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker l’électricité produite par les modules, la pompe sans batterie ‘pompe au fil du soleil’, utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son utilisation.

[15]

 Pompage au fil du soleil

L’énergie solaire est consommée en « temps réel». Cette technique permet d’utiliser directement une puissance continuellement variable, celle issue des modules photovoltaïques. Le débit de pompage va donc évoluer avec l’intensité de l’ensoleillement. En effet dans cette première technique, c’est l’eau elle- même qui est pompée et stockée lorsqu’il y a suffisamment d’ensoleillement, dans un réservoir à une hauteur au-dessus du sol. Elle est ensuite distribuée par gravité au besoin.

 Pompage avec stockage d’energie

Cette technique consiste à utiliser un stockage d’énergie cette fois-ci, via des batteries (pompe avec batterie). Ces batteries stockent l’énergie produite par les cellules photovoltaïques lors des périodes d’ensoleillement afin de pouvoir restituer cette énergie pour pomper l’eau en temps voulu. Le débit de pompage peut se faire à la demande, lorsque les utilisateurs en ont besoin.

Méthodes de

pompage Avantages Inconvéinents

Pompage au fil du soleil

 Economie du coût des batteries et par conséquence leur maintenance

 Système photovoltaïque plus simple, plus fiable et moins coûteux

 Meilleur rendement

énergétique

 Perte d’énergie au début et à la fin de la journée

 Le débit de la pompe n’est pas constant et le rabattement du forage peut-être trop élevé durant certaines périodes de la journée.

Pompage Avec batterie

 Débit de la pompe régulier et à pression fixe

 Possibilité de pomper l’eau lorsque le soleil est absent

 Coût élevé d’entretien et maintenance des batteries

 Changement des batteries tous 5 à 7 ans

 Les batteries introduisent un certain degré de perte de rendement d’environ 20% à 30% de la production d’énergie.

 Coût élevé du système photovoltaïque

Tableau 1.2 Comparaison entre les deux types de pompage utilisé.

I-6 Conclusion

Dans ce chapitre nous avons présentés des généralités sur l’énergie solaire et le pompage photovoltaïque. Nous avons présentés les éléments du système de pompage photovoltaïque et les principes généraux du pompage solaire. Ensuite les différents systèmes de pompage avec différent moteurs, à courant continu ou alternatif.

Chapitre II

Modélisation et simulation d’un

système photovoltaïque

II-1 Introduction

Un système de pompage photovoltaïque est constitué d’un générateur photovoltaïque, un onduleur de tension, et un groupe motopompe. Les systèmes de pompage photovoltaïque étudié fonctionnent au fil du soleil. Dans ce chapitre le choix et la modélisation de chaque composant de ce système sera présentée.

II-1 Modélisation et simulation du générateur photovoltaïque II-1-1 Modèles électriques d’une cellule PV

Une cellule photovoltaïque a un comportement équivalent à une source de courant shuntée par une diode la figure (II.1). Le modèle est complété par : [16]

 Une résistance série due à la contribution des résistances de base et du front de la jonction et des contacts face avant et arrière

 Une résistance parallèle ou shunt qui provient des contacts métalliques et des résistances de fuite sur la périphérie de la cellule

On note :

𝐼

_𝑝𝑣

= 𝐼𝑝ℎ − 𝐼

_𝑑

− 𝐼𝑝

(II.1) Avec :

𝐼

_𝑑

= 𝐼𝑠[exp (

^{𝑉𝑝𝑣+𝐼 𝑅𝑠}

𝑛𝑉𝑇

) − 1]

(II.2)

𝐼

_𝑝

=

^{𝑉𝑝𝑣+𝐼 𝑅𝑠}

𝑅𝑝

(II.3)

𝐼

_𝑠

= 𝐼𝑠𝑐[exp (

^𝑉𝑜𝑐

𝑛𝑉𝑇

) − 1]

(II.4)

𝐼

_𝑠𝑐

= 𝐼𝑠𝑐𝑟 (

^𝐺

1000

)

(II.5) Fig. (II.1): Circuit équivalent d’une cellule PV photovoltaïque.

𝑉

_𝑡

=

^𝐾𝑇

𝑞 (II.6)

𝐼

_𝑝𝑣

= 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [exp (

^{𝑉𝑝𝑣+𝐼 𝑅𝑠}

𝑛 𝑉 𝑇

) − 1] −

^{𝑉𝑝𝑣+𝐼 𝑅𝑠}

𝑅𝑝

(II.7)

Où

IPV : Courant fourni par la cellule.

VPV : Tension aux bornes de la cellule Id : Courant de diode.

Iph : Photo courant, dépendant de l’intensité de l’irradiation.

Ip : Le courant dérivé par la résistance parallèle.

Is : Courant de saturation de diode, dépendant de la température ISCr : Le courant de court-circuit de référence

Vco : La tension de circuit ouvert VT : La tension thermique

Rp : Résistance en parallèle, représentant l’admittance parallèle du générateur de courant Rs : Résistance en série, modélisant les pertes ohmiques du matériau et des contacts G : L'irradiation solaire en W/m2

q : Charge d’électron 1.602*10^-19C

K : Constante de Boltzmann 1.381*10^-23 Nm/°K

n : Facture de non idéalité de la jonction comprise entre 1 et 5 dans la pratique.

T : La température effective de la cellule en kelvin.

II-1-2 Simulation du générateur PV

Pour faire la simulation d’un générateur PV on a choisi le module Sopray Energy SR-150dont ces caractéristiques qui donne par le constructeur sont les suivants :

 Puissance max de

𝑃𝑚𝑝 = 150,075 𝑊𝑐

 Tension max de

𝑉𝑚𝑝 = 34,5 𝑉

 Courant max

𝐼𝑚𝑝 = 4,35 𝐴

 Tension de circuit ouvert

𝑉𝑐𝑜𝑝 = 41,8 𝑉

La simulation du module précèdent pour différents éclairements (1000 800 600 400) W/m² et pour différentes températures (20, 25, 30, 40) °C a été faite sous l’environnement Matlab/Simulink.

Les figures (II.2, 3) donnent les caractéristiques I-V et P-V de ce type.

Les résultats de simulation montre que la variation de l’éclairement influe sur le courant généré, plus l’éclairement augmente plus le courant augmente tandis que la tension varie légèrement et la variation de la température influe sur la tension, celle-ci diminue avec l’augmentation de la température tandis que le courant n'est pas influencé par la température.

Cette influence atteint automatiquement la puissance du module et du champ du faite de la relation qui relie les trois grandeurs tel que P= V.I, on remarque que la puissance augmente avec l’augmentation de l’éclairement et diminue avec l’augmentation de la température.

Fig. (II.2) : Caractéristique I-V et P-V d’un module à 25°C

Fig. (II.3) : Caractéristique I-V et P-V d’un module G=1000 w/m²

II-3 Choix du moteur électrique

Les moteurs électriques devraient être contrôlés pour améliorer l'efficacité du système de pompage, en particulier ceux alimentés par une source d'énergie solaire. Les moteurs asynchrones à cage d'écureuil sont largement utilisés dans ces applications nécessitant une tension amplifiée pour obtenir une tension nominale [17].

Par exemple, un moteur asynchrone triphasé (220Vac, 50 Hz et 2 pôles) nécessite une tension amplifiée qui augmente une tension de 12-24Vdc jusqu'à 300Vdc pour fonctionner dans un système de pompage photovoltaïque.

En revanche, le moteur peut être conçu avec une tension basse comme 140V qui n'est pas nécessaire d'une tension boostée. Ainsi, le système de commande du moteur peut être directement connecté aux panneaux PV. Pour cet objectif, un moteur synchrone à aimants permanents (MSAP) est utilisé pour obtenir un rendement élevé à basse tension.

Les caractéristiques électriques et mécanique du MSAP utilisé dans notre simulation est :

La puissance utile Pu 500 W

La tension Vs 80 V

Vitesse nominale 104.66 rad/sec = 1000 tr/min

Le couple Ce 4.77 Nm

Le courant I 5 A

Tableau 1I-1 Caractéristiques électriques et mécanique du MSAP

II-4 Pompe photovoltaïque

Une pompe photovoltaïque se présente fondamentalement de deux façons selon qu’elle fonctionne avec ou sans batterie. Alors que cette première utilise une batterie pour stocker l’électricité produite par les modules, la pompe sans batterie, plus communément appelée "pompe au fil du soleil", utilise un réservoir pour stocker l’eau jusqu’au moment de son utilisation [18].

Parce qu’il est souvent plus économique de construire un réservoir pour stocker l’eau plutôt que stocker l’électricité dans les batteries, le moteur d’une pompe solaire fonctionnera habituellement au fil du soleil. Dans ce cas ; notre système contient les éléments suivants : générateur photovoltaïque, onduleur à fréquence variable, groupe motopompe immergé, et réservoir de stockage [19,20].

II-4-1 -Modélisation de la pompe

La pompe est caractérisée principalement par un couple résistant qui est de la forme suivante

𝐶_𝑟=𝐾_𝑝. 𝑤 (II.6) Avec : w =104.66 rad/sec

En régime permanent, le couple résistant de la pompe (Cr) égale au couple moteur (Ce), donc :

𝐶_𝑒 = 𝐶_𝑟 = ^𝑃𝑢

𝑤 (II.7) Alors :𝐾_𝑝 = ^𝑃𝑢

𝑤² = ⁵⁰⁰

104.66² = 0.0456

II-5 Choix du générateur PV

Dans notre cas on a choisi un moteur synchrone à aimant permanent dont la puissance mécanique est 500 W.

Le rendement du moteur est estimé à 0.94

𝑃_𝑎 = ^𝑃𝑢

𝜂𝑚 = ⁵⁰⁰

0.94 = 530 𝑊 (II.8) Le rendement du convertisseur est de l’ordre de 0.98. [21]

𝑃_𝐺𝑃𝑉 = ^𝑃𝑎

𝜂𝑐 = 540 𝑊 (II.9) Ou PGPV : la puissance du générateur PV

II-5-1 Taille du générateur PV

Après le calcul de la puissance du générateur PV, on détermine le nombre de modules constituants le générateur suivant la puissance du module PV choisie.

 Nombres de modules :

Le nombre total de modules NM constituant le générateur PV est calculé par la formule suivante

NM =^PGPV

𝑃𝑀 = ⁵⁴⁰

150 =3.6 (II.10)

Ou PM : La puissance du module PV.

NM : Nombres de modules

 Nombre de modules en série :

Dans notre cas le moteur est alimenter par une tension de 66 V alors la tension applique à l’entrée de l’onduleur.

𝑉_𝑑 = ³

√2𝑣_𝑒𝑓𝑓 (II.11)

𝑉_𝑑 = ³

√2 66 = 140 v (II.12) Donc le nombre de module en série est Ns= 4

 Nombre de modules en parallèle :

La mise en parallèle de modules donne l’intensité nécessaire à la charge. Le nombre de branches est calculé par l’équation suivante :

𝑁_𝑝= ^𝑁𝑀

𝑁𝑠 = 1 (II.13) Dans notre travail, nous choisissons quatre panneaux photovoltaïques branchés en série de type Sopray Energy SR-150 (voir l’annexe).

II-6 Conclusion

Chapitre III

La commande vectorielle de la machine synchrone à aimants

permanents

III-1 Introduction

L’asservissement des machines à courant alternatifs alimentées par des convertisseurs statiques pour faire fonctionner des actionneurs à des vitesses variables devient de plus en plus courants, parmi les machines électriques utilisées, les machines synchrones à aimant permanent qui ont une inertie très faibles et des inductances relativement faibles ce qui entraîne des réponses rapides des courants et donc du couple [22]

Dans ce chapitre nous avons présenté la machine synchrone à aiment permanent (MSAP) et le principe de la commande vectorielle, ainsi que la méthode de calcul des différents régulateur, en fine on a présenté résultat de simulation de système de pompage solaire.

III-2 Présentation de la MSAP

Le terme de machine synchrone regroupe toutes les machines dont la vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse de rotation du champ tournant du stator. Pour obtenir un tel fonctionnement, le champ magnétique rotorique est génère soit par des aimants, soit par un circuit d’excitation. La position du champ magnétique rotorique est alors fixe par rapport au rotor, ce qui impose le synchronisme entre le champ tournant statoriques et le rotor ; d’où le nom de machine synchrone.

Le stator est similaire à celui de la machine asynchrone. Il se compose d’un bobinage distribue triphasé, tel que les forces électromotrices générées par la rotation du champ rotorique soient sinusoïdales ou trapézoïdales. Ce bobinage est représenté par les trois axes (a, b, c) déphases, l’un par rapport à l’autre, de 120˚électriques.

Le rotor se compose d’aimants permanents. Les aimants permanents présentent l’avantage d’éliminer les balais et les pertes rotorique, ainsi que la nécessite d’une source pour fournir le courant d’excitation. Cependant, on ne peut pas contrôler l’amplitude du flux rotorique. Il existe de nombreuses façons de disposer les aimants au rotor (Fig.III.1).

 Aimants en surface (Surface Mounted) :

Les aimants sont montés sur la surface du rotor en utilisant des matériaux adhésifs à

L’inductance de l’axe-d est égale à celle de l’axe-q. Cette configuration du rotor est simple à réaliser. Ce type du rotor est le plus utilise. Par contre, les aimants sont exposés aux champs démagnétisant. De plus, ils sont soumis à des forces centrifuges qui peuvent causer leur détachement du rotor.

 Aimants insères (Inset magnet type) :

Les aimants du type insères aussi sont montés sur la surface du rotor. Cependant, les espaces entre les aimants sont remplies du fer (voir Fig.III.1-b). L’alternance entre le fer et les aimants provoque l’effet de saillance. L’inductance de l’axe-d est légèrement différente de celle de l’axe-dq.

Cette structure est souvent préférée pour les machines trapézoïdale, parce que l’arc polaire magnétique peut être règle afin d’aider à former les forces électromagnétiques.

 Aimants enterres (Interior magnet type) :

Les aimants sont intègres dans la masse rotorique (Fig.III.1-c) : le moteur sera à pôles saillants. Dans ce cas, le circuit magnétique du rotor est anisotrope, les inductances dépendent fortement de la position du rotor.

Les aimants étant positionnes dans le rotor, ce type de moteur est plus robuste mécaniquement et il permet le fonctionnement à des vitesses plus élevées. D’autre part, il est naturellement plus cher à fabriquer et plus complexe à contrôler.

 Aimants à concentration de flux (Flux concentration type)

Comme le montre la (Fig.III.1-d), les aimants sont profondément places dans la masse rotorique.

Les aimants et leurs axes se trouvent dans le sens circonférentiel. Le flux sur un arc polaire du rotor est contribué par deux aimants sépares. L’avantage de cette configuration est la possibilité de concentrer le flux générer par les aimants permanents dans le rotor et d’obtenir ainsi une induction plus forte dans l’entrefer. Ce type de machine possède de l’effet de saillance.

Fig. (III.1) : Différents dispositions d’aimants permanents dans un rotor (Acarnley, 2006) (a)Aimants en surface (b) Aimants insèrent

(c)Aimants enterres (d) Aimants a concentration de flux

III-3 Analyse du fonctionnement de la MSAP

La machine étudiée est un moteur, il permet donc une conversion électromécanique de l’énergie. Le stator de celui-ci est alimenté par un réseau triphasé. Il produit ainsi un champ tournant qui entraîne le rotor. Plus le couple sur l’arbre est élevé plus l’angle de décalage polaire est plus grand. Le rotor décroche du flux tournant dès que cet angle dépasse 90. La vitesse de rotation du rotor est égale à la vitesse de synchronisme. Elle est donc directement proportionnelle à la fréquence d’alimentation du stator.

La caractéristique du couple-angle électrique est illustrée dans la figure suivante :

Fig. (III.2) : Caractéristique du couple-angle électrique

III-3-1 Avantages de la MSAP

Les machines synchrones à aimants permanents présentent plusieurs avantages par rapport aux autres types de machines. [23]

– Puissances massiques importantes et élevées.

– Absence de contacts glissants.

– Pas des pertes résistives au rotor ; ce qui facilite l’évaluation de la chaleur due aux pertes dans la machine. Ainsi, il y a suppression d’équipement de refroidissement au rotor.

– Suppression des bagues et des balais, ce qui réduit les problèmes de maintenance.

– Possibilité de supporter des surcharges transitoires importantes et un bon comportement dynamique en accélération et en freinage.

– Grande fiabilité.

– Fonctionnement en survitesse.

III-3-2 Inconvénients de la MSAP

Comme inconvénients de la MSAP on cite : - Coût élevé des aimants.

- Un problème de tenu à la température des aiment - Interaction magnétique due au changement de structure.

- Diminution de l’aimantation selon loi logarithmique en fonction du temps.

III-4 Modélisation de la machine synchrone à aimant permanent

L’étude du comportement d’un moteur électrique est une tâche difficile et qui nécessite, avant tout, une bonne connaissance de son modèle dynamique afin de bien prédire, par voie de simulation, son comportement dans les différents modes de fonctionnement envisage. La modélisation d’un moteur synchrone à aimants permanents est identique à celle d’une machine synchrone classique sauf que l’excitation en courant continu attachée au rotor est remplacée par le flux de l’aimant [24]. Donc, le modèle est issu du modèle de la machine synchrone classique [25].

Les enroulements statoriques sont le plus souvent connectes en étoile a neutre isole.

L’excitation rotorique est créée par des aimants permanents au rotor.

Afin de simplifier la modélisation de la machine, les hypothèses usuelles données dans la majorité des références sont adoptées comme suit (Bose, 2002), (Arroyo, 2006), (Nahid, 2001), (Lipo, 1996) :

– l’effet d’amortissement au rotor est néglige,

– le circuit magnétique de la machine n’est pas sature,

– la répartition des forces magnétomotrices (FMM) est sinusoïdale, – les phénomènes d’hystérésis et les courants de Foucault sont négliges, – les irrégularités de l’entrefer dues aux encoches statoriques sont ignorées.

III-4-1 Mise en équation de la machine synchrone

Pour établir des relations simples entre les tensions d'alimentation du moteur et ces courants, nous considérons le modèle de la machine synchrone idéal suivant :

Fig. (III.3) : Schéma de la machine synchrone

III-4-2 Equations électriques

Les équations électriques de la MSAP sont décrites par : [

𝑉_𝑎 𝑉_𝑏 𝑉_𝑐

] = 𝑅_𝑠[ 𝐼_𝑎 𝐼_𝑏 𝐼_𝑐

] + ^𝑑

𝑑𝑡[ ф_𝑎 ф_𝑏 ф_𝑐

] (III.1)

III-4-3 Equations magnétiques



On désigne par :

[𝐿_𝑠𝑠] : Matrice d’inductances statoriques. Elle contient des termes constants que nous regroupons dans [𝐿_𝑠0] et des termes variables dépendant de θ, que nous regroupons dans [𝐿_𝑠2(θ)]

III-4-4 Transformation de Park

Pour éliminer 𝜃 de la matrice [L_s2]; et afin que les algorithmes de commande traitent des grandeurs électriques continues, les enroulements statoriques (a, b, c) sont remplacés par deux enroulements (d, q) en quadrature, figure (III.3). Ce passage est obtenu par la transformation de Park.

Fig. (III.4) : Schéma de la machine synchrone dans le référentiel (d, q) La matrice de passage notée P (𝜃) :

P (𝜃) =²

3

[

𝑐𝑜𝑠(𝜃 ) 𝑐𝑜𝑠(𝜃 −^2𝜋

3 ) 𝑐𝑜𝑠(𝜃 −^4𝜋

3 )

−𝑠𝑖𝑛(𝜃 ) −𝑠𝑖𝑛(𝜃 −^2𝜋

3 ) −𝑠𝑖𝑛(𝜃 −^4𝜋

3 )

1 2

1 2

1

2 ]

(III.3)

III-4-5 Modèle de la MSAP dans le référentiel de Park

La transformation de Park ramène les équations statoriques (III.1) dans un référentiel lie au rotor. Donc la machine équivalente est identique à une machine à courant continu ayant l’enroulement f comme inducteur et ayant deux induits en quadrature.

Alors, le modèle de la MSAP après la transformation de Park est :

[𝑉_𝑑

𝑉_𝑞] = [𝑅_𝑠+ 𝐿_𝑑𝑠 −𝑃𝑤𝐿_𝑞 𝑃𝑤𝐿_𝑑 𝑅_𝑠+ 𝐿_𝑞𝑠] [𝐼_𝑑

𝐼_𝑞] + [ 0

𝑃𝑤ф_𝑓] (III.4)

Avec la même procédure de calcul pour les équations magnétiques et faisant usage du calcul matriciel précédent et en supposant que le système est équilibré, on aura :

{ф_𝑑 = 𝐿_𝑑𝐼_𝑑+ ф_𝑓

ф_𝑞= 𝐿_𝑞𝐼_𝑞 (III.5) ф_𝑓: Représente le flux des aimants.

III-4-6 Equations mécaniques

L'équation mécanique développée par la machine est donnée par la relation suivante :

𝐶_𝑒− 𝐶_𝑟 = 𝐽^𝑑Ω

𝑑𝑡 + 𝑓Ω (III.6) Avec : f, J, Cr et Ω définissant respectivement le coefficient d'amortissement, le moment d'inertie du rotor, le couple de charge et la vitesse mécanique de rotation.

Le couple électromagnétique 𝐶_𝑒 est produit par l'interaction entre les pôles formés par les aimants au rotor et les pôles engendrés par les FMMs dans l'entrefer généré par les courants statoriques. Il est exprimé par :

𝐶_𝑒 =³

2𝑃 ((𝐿_𝑑 − 𝐿_𝑞)𝐼_𝑑𝐼_𝑞+ ф_𝑓𝐼_𝑞)

(III.7)

III-5 La commande vectorielle

Fig. (III.5) : Ensemble Commande – Onduleur –Moteur

III-6 Principe de la commande vectorielle de la MSAP

Le principe du découplage permet de modéliser la machine synchrone comme une machine à courant continu, par application de cette technique de commande. Ceci concilie les avantages des propriétés du moteur à courant continu et de l’absence du collecteur mécanique.

Le contrôle du couple d’une machine alternative nécessite un contrôle en phase et en amplitude des courants d’alimentation d’où le nom de contrôle vectoriel. Pour réaliser un contrôle similaire à celui des machines à courant continu à excitation séparée, il est nécessaire de maintenir le courant Id nul et de réguler la vitesse ou la position par le courant Iq via la tension Vq. Physiquement, cette stratégie revient à maintenir le flux de réaction d’induit en quadrature avec le flux rotorique produit par le système d’excitation [26].

Fig. (III.6) : Machine à Courant Continu

En utilisant l'équation (III.8) l'expression du couple devient comme suit :

CeP^f.Iq (III.8) La commande vectorielle sert alors à contrôler les deux composantes et (Iq) du courants statorique en imposant les tensions (Vd) et (Vq) qui conviennent. Pour imposer ces tensions il suffit d'imposer les tensions de référence (Vqref) et (Vdref) à l'entrée de l'onduleur A l'aide des régulateurs, nous allons obtenir des courants de référence (Iqref) et (Idref).

III-7 Avantages et inconvénients de la commande vectorielle [27]

III-7-1 Avantages de la commande vectorielle

 Elle est précise et rapide.

 Il y a un contrôle du couple à l’arrêt.

 Le contrôle des grandeurs se fait en amplitude et en phase.

III-7-2 Inconvénients de la commande vectorielle

 Le contrôle vectoriel par orientation du flux rotorique présente un certain nombre d’inconvénients :

 Très chère (encodeur incrémental ou estimateur de vitesse, DSP).

 Faible robustesse aux variations paramétriques et en particulier à celles de la constante de temps rotorique

 Nécessité d’un modulateur pour la commande rapprochée de l’onduleur qui provoque des retards, surtout à basse fréquence de modulation (grande puissance).Ces retards sont responsables d’une augmentation du temps de réponse en couple, ce qui pénalise les variateurs utilisés en traction.

III-8 La Régulation

Les régulateurs ont, d’une part, la tâche de stabiliser le circuit de réglage, et d’autre part, ils viennent pour assurer une meilleure précision et un temps de réponse meilleur. Les régulateurs standards de type PI ou PID sont les plus utilisés dans le domaine des réglages industriels [28]

III-8-1 Régulateur de courant

Fig. (III.6) : Schéma fonctionnel du régulateur de courant La fonction de transfert du système en boucle ouverte FBO est :

𝐹_𝐵𝑂 =(𝐾_𝑝𝑑+^𝐾𝑖𝑑

𝑆 ) ∙ ( ¹

𝑅+𝑆∙𝐿_𝑑) =^{𝑆∙𝐾𝑝𝑑+𝐾𝑖𝑑}

𝑆(𝑅+𝑆∙𝐿_𝑑) (III.11) La fonction de transfert du système en boucle fermée FBF est :

𝐹_𝐵𝐹 = ^𝐹𝐵𝑂

1+𝐹𝐵𝑂 =

𝑆(𝑅+𝑆∙𝐿_𝑑)¹ 𝐿𝑑 𝑆²+(^{𝐾𝑝𝑑+𝑅}

𝐿𝑑 )+^𝐾𝑖𝑑 𝐿𝑑

(III.12) Le polynôme caractéristique du système en boucle fermée est :

P(𝑆) = 𝑆² +^{𝑅+𝐾𝑝𝑑}

𝐿_𝑑 ∙ 𝑠 +^𝐾𝑖𝑑

𝐿_𝑑 (III.13) En imposant au polynôme caractéristique en B-F deux pôles complexes conjugués :

^𝐾𝑝𝑑

𝐿𝑑 = 2𝜌²⇒ 𝐾_𝑖𝑑 = 2∙ 𝜌 ∙ 𝐿_𝑑∙ 𝜌² (III.16) De la même façon on trouve :

𝐾_𝑝𝑞 = 2∙ 𝜌 ∙ 𝐿_𝑑− 𝑅 (III.17) 𝐾_𝑖𝑞 = 2∙ 𝜌 ∙ 𝐿_𝑑 ∙ 𝜌² (III.18) III-8-2 Régulateur de vitesse :

Le régulateur de vitesse permet de déterminer le couple électromagnétique, s11 j

s21 j

Pss  s1s s22  s²2 s 2² (III.14)

L’identification terme à terme des deux équations (III.15) et (III.16) nous donne : (^{𝑅+𝐾𝑝𝑑}

𝐿𝑑 ) = 2𝜌 ⇒ 𝐾_𝑃𝑑 = 2∙ 𝜌 ∙ 𝐿_𝑑 − 𝑅

(III.15)

l’équation mécanique donne : J∙^𝑑𝛺

𝑑𝑡 = 𝐶_𝑒− 𝑓_𝑣 ∙ 𝛺 (III.19) ^𝐽

𝑃∙^𝑑𝜔

𝑑𝑡 =𝐶_𝑒−^𝑓𝑣

𝑃 ∙ 𝜔 ^𝑑𝜔

𝑑𝑡^𝑃

𝐽∙ (𝐶_𝑒𝜔 )



s∙ 𝜔= ^𝑃

𝐽∙ (𝐶_𝑒−^𝑓𝑣

𝑃 ∙ 𝜔 )𝜔 = ^𝑃

𝑠∙𝐽∙+𝑓_𝑣∙𝐶_𝑒

 La chaîne de régulation de vitesse est donnée par le schéma suivant :





Fig. (III.7) : Schéma fonctionnel du régulateur de vitesse

La fonction du transfert du système en boucle ouverte est : 𝑇_𝐵𝑂(𝑠) =(𝐾_𝑃𝑉+^𝐾𝑖𝑣

𝑠 ) ∙ ( ^𝑃

𝑠∙𝐽∙+𝑓_𝑣) =^{(𝐾𝑖𝑣+𝑠∙𝐾𝑃𝑉)∙𝑃}

𝑠∙(𝑠∙𝐽∙+𝑓_𝑣) (III.22) La fonction du transfert du système en boucle fermée est :

𝑇_𝐵𝐹(𝑠) = _1+𝑇^{𝑇𝐵𝑂(𝑠)}

𝐵𝑂(𝑠) (III.23) Le polynôme caractéristique est :

P(𝑠) = 𝑠²+ (^{𝑓𝑣+𝑃∙𝐾𝑃𝑉}

𝐿_𝑞 ) ∙ 𝑠 +^𝑃

𝐽 (III.24)

En imposant au polynôme caractéristique en B-F deux pôles complexes conjugués : P(𝑠) = 𝑠² +2∙ 𝜌 ∙ 𝑠 + 2 ∙ 𝜌² (III.25) L’identification terme à terme des deux équations (II-25) et (II-26) nous donne :

III-8-4 Description du système global

La structure de la commande est constituée de l’association d’une machine synchrone à aimant permanent dans le repère (d, q) alimenté par un onduleur de tension.

La référence du courant direct id^* est fixé à zéro et la sortie du régulateur de vitesse constitue la consigne du couple.

Fig. (III.6) : Schéma de la commande vectorielle du MSAP

Les références des courants direct id^* et iq^* sont comparées séparément aux courants réelles de la machine id et iq, les erreurs sont appliquées à l’entées des régulateurs, un bloc de découplage génère les tensions de références vdr et vqr, ces tensions après passage par la transformation de PARK servent de référence des tensions (Vsa*, Vsb^*, Vsc^*) pour la commande de l’onduleur [29].

Les tensions de sortie de l’onduleur qui alimente le MSAP sont contrôlées par une technique de modulation de largeur d’impulsion MLI qui permet un réglage simultané de la fréquence et de la tension de sortie.

III-9 simulation et résultat

Le système de pompage solaire raccordé au GPV est simulé dans les conditions de fonctionnement standards figure (III.7) :

Fig. (III.7) : Schéma de simulation du système de pompage solaire avec une commande vectorielle du MSAP

La simulation est réalisée en utilisant des blocs MATLAB / Sim Power System comme indiqué dans Fig.III-7. La période d'échantillonnage du modèle de contrôle est 1e-3 s. Le moteur de la pompe ne fonctionne pas toujours à la vitesse maximale puisque la puissance du générateur photovoltaïque est affectée par l'irradiation et la température.

III-9- 1 Résultats de simulation

Le système de pompage raccordé au générateur PV est simulé dans les conditions de fonctionnement standards Fig. (III.8) et Fig. (III-11)

On fait varier l'éclairement et on relève les courbes de la puissance𝑃_𝑃𝑉 , les courants de phases et la vitesse de rotation du moteur, le couple de charge et de moteur

Les conditions de fonctionnement standards, la température à 25°C et l'éclairement à 1000 W/m^2

(a) (a)

(b) (b)

(c) (c)

(d) (d)

III-9-2 Discutions des résultats

 La puissance Ppv est influencée par la variation de l’éclairement en conséquence la vitesse est variable suivant la variation de l'éclairement

 Les courants statoriques sont influencés par la variation de l'éclairement.

 Dans la figure III-8 (d) le couple de charge proportionnel au couple de machine par contre dans la figure III-9 (d) pas proportionnel et il y a une oscillation dans le régime transitoire.

III-10 Conclusion

Dans ce chapitre on a vu l’application de la commande vectorielle sur la MSAP cette stratégie qui nous permet de faire un découplage entre le couple et le flux pour assurer une commande efficace

Afin d’étudier la stratégie de commande dans ce chapitre, nous avons élaboré un programme de simulation .Nous en avons donné les résultats dans le cas d’un démarrage direct en charge.

Chapitre IV

Poursuite du point de puissance

maximale

IV-1 Introduction

La puissance électrique produite par un panneau photovoltaïque dépend fortement de l'ensoleillement et à un degré moins important de la température des cellules. Ces deux variables influençant sur le comportement du système et présentent des fluctuations quotidiennes et saisonnières. Pour ces raisons, le panneau photovoltaïque ne peut fournir une puissance maximale que pour une tension particulière et un courant bien déterminé ; ce fonctionnement à puissance maximale dépend de la charge à ses bornes. A cet effet et en fonction du type de cette charge, un dispositif de contrôle devra être intégré dans le circuit de commande du convertisseur. Ce dernier doit être capable de faire fonctionner le panneau photovoltaïque à sa puissance maximale. La méthode de suivi ou "Tracking" connue sous le nom MPPT (Maximum Power Point Tracking) est basée sur l'utilisation d'un algorithme de recherche du maximum de la courbe de puissance du panneau photovoltaïque. Contrairement au contrôle à tension fixe, le tracking n'est pas basé sur une valeur de référence prédéterminée mais il s'agit d'une recherche de la valeur de référence pour atteindre le maximum de la puissance sur la caractéristique courant–tension. A noter que le tracking joue un rôle très important parce qu'il maximise le rendement et réduit au maximum le coût [30].

IV-2 Suivi de la puissance maximale de générateur photovoltaïque

La poursuite du point maximum de la puissance (MPPT) est une partie essentielle dans les systèmes photovoltaïque. Plusieurs techniques sont développées depuis 1968 dates de publication de la première loi de commande de ce type adaptées à une source d’énergie renouvelable de type PV. Ces techniques se différent entre eux par leur complexité, nombre de capteurs requis, la vitesse de convergence, coût, rendement et domaine d’application. [31]

IV-3 Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)

La commande MPPT (Maximum Power Point Tracking) est une commande essentielle pour un fonctionnement optimal du système photovoltaïque. Le principe de ces commandes est d'effectuer une recherche du point de puissance maximal (MPPT) tout en assurant une parfaite adaptation entre le générateur et sa charge de façon à transférer le maximum de puissance.

La caractéristique de la cellule solaire V-I n’est pas linéaire et varies en fonction de l’éclairement et la température .il y a un point sur la courbe V-P, V-I on appelle le