الجمهورية الجزائرية الديمقراطية الشعبية REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE وزارة التعليم العالي والبحث العلمي MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE المسيلة- جامعة محمد بوضياف UNIVERSITE MOHAMED BOUDIAF - M’SILA كلية التكنولوجيا FACULTE DE TECHNOLOGIE قسم الإلكتــــرونيك DEPARTEMENT D’ELECTRONIQUE MEMOIRE DE MASTER DOMAINE : SCIENCES ET TECHNOLOGIE FILIERE : Géni ELECTRIQUE OPTION : SYSTEMES ELECTRO-ENERGETIQUES DE SOURCES D’ENERGIES RENOUVELABLES THEME Proposé et dirigé par : Réalisé par : Dr. DJAZIA Kamel MAYOUF Somia N° D’ordre: 2016/S3ER12/89/385 PROMOTION: JUIN 2016 Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque connecté au réseau électrique avec une commande vectorielle. Je remercie tout particulièrement Dieu tout puissant pour la volonté, la santé et la patience, qu'il nous a donnés durant toutes ces longues années. J’exprime ma profonde gratitudes à mes chers parents pour leurs encouragements, leurs soutiens et les sacrifices endurés. Ainsi, je tiens également à exprimer mes vifs remerciements à mon encadreur Monsieur DJAZIA Kamel tout d’abord pour avoir proposé ce thème et qui n'a eu cesse de me donner de précieux conseils et remarques. Je remercie, aussi, tous les enseignants, le chef de département d'Electrotechnique et Mr S.khanouf qui ont contribué à ma formation. Par ailleurs, je remercie tous les membres du jury qui ont accepté de juger mon travail. Je tiens, également, à remercier vivement toutes les personnes qui m’ont aidée à élaborer et réaliser ce mémoire, surtout : les enseignants Mr A.laatali F.barabah, A.Ben daykha et Mr Badboudi, mes amis A.dilmé, S.boudilmé, O .hadj doudou, R .ben herira et A .Abassi, mon cousin Youssef . Enfin je tiens à exprimer ma reconnaissance à tous mes amis et collègues pour leurs soutiens moral et matériel . Tout d’abord, je tiens à dédier ce modeste travail : A mon très cher père, l’homme qui m’a donnée le désir d’apprendre et le savoir-vivre en souhaitant qu’il soit au paradis et qu’il soit fier de moi . A ma très chère mère, ma fierté et mon bonheur à qui je souhaite une très longue vie. A mes très chers frères « Billal, Hécham et Ayoub», Mes soeurs « Asma,Fatima ,Marwa et Shahed » et toute ma famille . A tous mes amis et surtout « Merabat Samia et Délmi Ali ». A tous mes collègues de promotion et à tous ceux qui m’ont aidée, de prés ou de loin, à accomplir ce travail. Sommaire Listes des figures Liste des tableaux Introduction générale Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques Introduction ………………………………………………………………………………………………….......….. 03 1 –1 Le Systèmes photovoltaïque …………………………………………………………………........……... 04 1-1 Définition ……………………………………………………………………………………………........…….. 04 1-2 Types d’un système solaire photovoltaïque ………………………………………………........….…. 04 1-2-1 Système autonome ……………………………………………………………………………........……… 04 1-2-1-1 Système autonome sans batterie …………………………………………………….......………… 04 1-2-1-2 Système autonome avec batterie ……………………………………………………........………... 05 1-2-2 Système hybride ……………………………………………………………………………… ........ …….... 05 1-2-3 Système raccordé au réseau électrique ……………………………………………… ....... ………… 06 1-2-3-1 Injection de la totalité de la production …………………………………………….......……….. 06 1-2-3-2 Injection du surplus de production ………………………………………………… ....... ………. 06 1-2 Les éléments de captages d’un système PV raccordé au réseau électrique …….......…….. 07 1-2-1 La cellule PV ………………………………………………………………………................................... 07 1-2-1-1 Définition ………………………………………………………………………....................................... 07 1-2-1-2 Les types des cellules ………………………………………………………………………................. 08 1-2-1-3 Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque ………………………............... 09 1-2-1-4 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque ………………………............... 11 1-2-1-3 Modélisation des cellules PV ……………………….................................................................. 12 1-3 Modules photovoltaïques …................................................................................................................... 15 1-3-1 Définition …........................................................................................................................................... 15 1-4 Le Générateur photovoltaïque et ses performances ..................................................................... 16 1-4-1 Le générateur PV ................................................................................................................................ 16 1-4-2 Les caractéristiques I=f(V) et P=f(v) d’un générateur photovoltaïque ............................. 17 1-4-3 Influence de l’éclairement et la température sur les courbes I=f(V) et P=f(V) .. ....... ..... 18 1-4-3-1 Influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V) et P=f(V) .................................. 18 1-4-3-2 Influence de la température sur la caractéristique I=f(V) et P=f(V) ………….............. 19 Conclusion ………………………......................................................................................................................... 21 Chapitre 2Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT Introduction ………………………...................................................................................................................... 23 2-1 Les convertisseurs DC-DC (hacheurs) ............................................................................................ 24 2.2 Les types des convertisseurs DC-DC ............................................................................................... 26 2.2.1Hacheur survolteur (ou Boost) ............................................................................... .......... ................ 26 2.2.2 Hacheur dévolteur (série) ............................................................................................... ...... ............. 28 2.2.3 Hacheur dévolteur - survolteur (série ) ..................................................................... .........)…..…..−parallèle.......................................................…............................................................................ ........................................................................................................................... 28 2.2.4 Adaptation de la charge................ ............................................. .......................... ..... ............. 29 2.3 Etude de le hacheur survolteur d’un système photovoltaïque ........................................... 30 2.3.1 Représentation d’un hacheur survolteur PV........................................................................ 30 2.3.2 Modélisation d’un hacheur survolteur ................................................................ ................ ....... 31 Technique de commande de l’ MPPT .................................................................................. ............... ... 34 2.4.1Définition……………............................................................................................................. ......... ......... 34 2.4.2 Convertisseur Pour la poursuite du point de puissance maximum(MPPT) ............ .................................................. 34 2.4.3 Le Principe de fonctionnement du MPPT d’un générateur PV ............................................. 36 2.4.4 Différentes techniques d’MPPT..................................................................................... 37 2.4.5 La méthode Perturbation et Observation P&O ............................................................... 38 Conclusion .............................................................................................................................. 41 Chapitre 3 l’onduleur et la commande MLI vectorielle 3-1 Introduction ....................................................................................................................... 43 3-2 Les convertisseurs DC-AC (Onduleurs) ........................................................................... 44 3-2-1 Définition .................................................................................................................... .. 44 3-2-2 Principe de fonctionnement ......................................................................................... . 44 3-2-3 Les types d'onduleurs .................................................................................................... 46 3-2-4 Les applications des onduleurs....................................................................................... 47 3-3 Onduleur triphasé ............................................................................................................... 47 3-3-1 Définition ........................................................................................................................ 47 3-3-2 Modélisation de l'onduleur triphasé ................................................................................ 48 3-3-3 Les caractéristiques de l'onduleur triphasé ..................................................................... 49 3-4 Les stratégies de commande en MLI ................................................................................ 50 3-4-1 Définition ........................................................................................................................ 50 3-4-2 La commande MLI vectorielle ....................................................................................... 50 3-4-2-1 Principe de la MLI vectorielle ..................................................................................... 51 3-4-2-2 Les vecteurs spatiaux de tension ....................................................................................... 53 3-4-2-3 Modulation du vecteur spatial ..................................................................................... 56 3-5 Théorie de la MLI vectorielle ................................................................................................... 58 3-5-1 Détermination de 𝑉𝛼, 𝑉𝛽 , 𝑉𝑟𝑒𝑓et l’angle (𝜃 ) ......................................................................... 60 3-5-2 Détermination des durées d'utilisations des interrupteurs .............................................. 61 Conclusion .................................................................................................................................. ...................................... 66 Chapitre 4 Les résultats de simulation Introduction ................................................................................................................................ 68 4.2. Simulation du générateur PV ............................................................................................. 69 4.3 Simulation de l’hacheur survolteur (boost) et la commande MPPT ................................. 73 4.3. 1 Simulation de l’ hacheur survolteur (boost) .................................................................. 73 4.3.2 Simulation de la méthode MPPT .................................................................................... 73 4 .4 Simulation du system GPV et le boost avec la commande MPPT................................... 74 4.5 Simulation du système à éclairement variable .................................................................... 75 4.6 Simulation de la commande MLI vectorielle ..................................................................... 77 4.7 Simulation du système globale ........................................................................................... 80 Conclusion ................................................................................................................................... 81 Conclusion générale Les références Résumé LISTE DES FIGURES Figure 1.1 Exemple d’un système PV autonome sans batterie 04 Figure 1.2 Exemple d’un système PV autonome avec batterie 05 Figure 1.3 Exemple d’un système PV hybride 06 Figure 1 .4 Les deux types d’installations existantes pour l’injection de la production solaire 07 Figure 1.5Cellule au Silicium Monocristallin 08 Figure 1.6 Cellule au Silicium Poly-cristallin 09 Figure 1.7Cellule au Silicium amorphe (couche mince) 09 Figure 1.8Constitution d'une cellule photovoltaïque (d'après source CEA) 10 Figure 1.9Caractéristique courant - tension de la cellule PV 12 Figure 1.10 Schéma électrique équivalent d’une cellule PV a deux diode avec 5 paramètre 13 Figure 1.11Représentation d’un Module photovoltaïque 16 Figure 1.12 Caractéristique résultante d'un groupement de 2 cellules (série & parallèle). 16 Figure 1.13caractéristique I-V et P-V d'un GPV 17 Figure 1.14 Influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V) 18 Figure 1.15L’influence de l’éclairement sur la caractéristique P=f(V). 19 Figure 1.16L’influence de la température sur la caractéristique I=f(V) 20 Figure 1.17 L’influence de la température sur la caractéristique P=f(V) 20 Figure 2.1 Schéma de principe d'un type d’alimentation à découpage 24 Figure 2.2 Schéma d’un quadripôle électrique 25 Figure 2.3 périodes fermeture et ouverture d’un commutateur 25 Figure 2.4 Schéma de principe d’un hacheur parallèle (boost) 26 Figure 2.5 Génération d’une valeur de rapport cyclique α 27 Figure 2.6 Schéma de principe d’un hacheur série 28 Figure 2.7 Schémas de principe d’un hacheur série-parallèle 29 Figure 2.8 Répartition de la caractéristique selon le fonctionnement du hacheur utilisé 30 Figure 2.9 Schéma d’un hacheur parallèle (boost) raccordé au générateur photovoltaïque 30 Figure 2.10 Formes typiques des ondes du convertisseur boost 31 Figure 2.9 Schéma synoptique du système PV par une commande MPPT 35 Figure 2.10 Fluctuation du PMM avec : a) Variation de l’éclairement et b) Variation de la charge 36 Figure 2.11 Chaine de conversion photovoltaïque 37 Figure 2.12 Organigramme de l’algorithme Perturbation et Observation (𝑃&𝑂) 39 Figure 3.1 symbole de convertisseur Continu - Alternative (DC – AC) 44 Figure 3.2 Schéma de principe de la conversion Continu - Alternative (DC – AC) 44 Figure 3.3 Fonctionnement de l'onduleur dans le 1ére demi-cycle 45 Figure3.4 Fonctionnement de l' onduleur dans le 2éme demis cycle 45 Figure 3.5 Signal complet de l'onduleur 46 Figure 3.6 Circuit de puissance d’un onduleur triphasé 48 Figure 3.7 La topologie d’un onduleur triphasé de tension 51 Figure 3 .8 Etats des interrupteurs pour chaque vecteur de tension 52 Figure 3.9 représentation vectorielle des tensions générées par l’onduleur 52 Figure 3.10(a) Topologie 1-V1(1,0 ,0) de l’onduleur triphasé 53 Figure 3 .11(a) Représentation des vecteurs de tension différents de zéro dans le plan (α,β). 55 Figure 3.11(b) Les deux topologies de l’onduleur V7 et V8 55 Figure 3.12 Représentation des vecteurs de tension nulle dans le plan (α, β) 56 Figure 3.13(a) Le vecteur de tension de sortie dans le plan (α,β). 56 Figure 3.13(b) L’amplitude de la tension de sortie 57 Figure 3.14 Projection du vecteur de tension dans le secteur n°1 58 Figure3-15 Projection des vecteurs de tension (𝑉𝑎𝑛, 𝑉𝑏𝑛, 𝑉𝑐𝑛) sur le plan (𝛼, 𝛽) 60 Figure 3.16 Projection du vecteur de référence (secteur 1) 62 Figure3.17 Les temps de commutation pour chaque semi-conducteur dans chaque secteur 64 Figure 4 .1 Le Schéma block de générateur PV en MATLAB-SIMULINK 70 Figure 4.3 Influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V) 71 Figure 4.4 Résultats de simulation des caractéristiques P(V) Pour différents Eclairement et une température fixe T=25°C 71 Figure 4. 5 L’influence de la température sur la caractéristique I(V) 72 Figure 4 .6L’influence de la température sur la caractéristique P=f(V) 72 Figure4 .7 Schéma bloc d’un convertisseur survolteur 73 Figure 4 .8 Schéma bloc de la commande MPPT « P&O » 73 Figure 4.9 Schéma d’un système photovoltaïque avec la commande MPPT (P&O). 74 Figure 4.10 Résultats de simulation de la tension générée par le générateur photovoltaïque pour G=1000W/m2 et T=25°C 74 Figure 4.11 Résultats de simulation de la tension de sortie du système pour G=1000W/m2 et T=25°C 75 Figure 4.12 Caractéristique de la puissance pour différentes éclairement avec le MPPT 76 Figure 4 .13 Caractéristique de la puissance pour différentes éclairement sans le MPPT 76 Figure 4 .14 Schéma block de la commande MLI vectorielle 77 Figure 4 .15 bloc schématique de SIMULINK pour détermination de Vα ,Vβ et l’angle alpha 78 Figure 4.16 l’allure de Vα ,Vβ et l’angle alpha 78 Figure 4.17 Bloc de secteur Matlab /SIMULINK 79 Figure 4.18 L’allure de la variation du secteur 79 Figure 4 .19 Schéma MATLAB SIMULINK d’un système globale 80 Liste des tableaux Tableau 3 .1 Calcul des vecteurs de tensions 62 Tableau 3.2Calcul des largeurs des impulsions pour chaque secteur. 65 Tableau 4.1Caractéristiques électriques du GPV photovoltaïque Dans les conditions standards « STC » 69 LISTES DES NOTATIONS ET ABREVIATIONS NOTATIONS Les notations définies ci-dessous sont celles que nous utilisons le plus dans ce manuscrit : S La surface E L’éclairement Pm La puissance maximale 𝝁 Rendement 𝑰𝒑𝒉𝒓𝒆𝒇 Le courant photonique sous condition de référence 𝑽𝒕 La potentielle thermodynamique. 𝑮𝒓𝒆𝒇 L’éclairement réels et à la condition référence 𝒒 Charge de l'électron 𝑻𝒄 Température de la cellule (°K). µ𝒄𝒄 Coefficient de sensibilité de l’intensité a la température C Une capacité Α Rapport cyclique 𝑽𝒔 Tension de sortie 𝑰𝒔 Couranat de sortie 𝑹𝒑𝒗 La résistance à la sortie du panneau 𝑹𝒄𝒉 Resestance de charge U Vecteur de commande. B Matrice d'entrée. C Matrice de sortie. A Matrice d’état. 𝜼𝑴𝑷𝑷𝑻 Rendement de mppr 𝜼𝒄𝒐𝒏𝒗 Rendement de convertiseur 𝜼𝒕𝒐𝒕 Rendement total ABREVIATIONS MPPT Maximum Power Point Tracking P&O Perturbation et Observation. 2M5P Lumped,2 Mechanism model with 5 Parameters. GPV Générateur PhotoVoltaique PPM Point de Puissance Maximale MLI Modulation de L’arguer d’Impulsion SVM Space Victor Modulation SPV Systèmes PhotoVoltaïques (𝑻𝒄, 𝑻𝒄_𝒓𝒆𝒇) La température de cellule, réels et à la condition de référence L Une inductance y Le vecteur de sortie. Vref Le vecteur de référence Vα et Vβ Les vecteurs de tension sur le plan (α,β) INTRODUCTION GENERALE Les systèmes photovoltaïques semblent bien s’imposer comme moyen de conversion de l’énergie photovoltaïque en énergie électrique. Un tel système se compose d'un champ de modules et d'un ensemble de composants qui adaptent l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs. L ’énergie photovoltaïque issue de la conversion de l’énergie solaire souffre d’un problème d’optimisation, dû aux caractéristiques électriques non linéaires (courant - tension) des cellules photovoltaïques , Ces caractéristiques dépendent essentiellement des conditions climatiques de rayonnement et de température. L’extraction de la puissance maximale d’un ensemble de ces cellules dite Stratégie MPPT (Maximum Power Point Tracking) permet d’une manière efficace de résoudre ce problème d’optimisation. Les installations PV domestiques raccordées aux réseaux électriques de distribution (applications de quelques kilowatts), qu’appelées les systèmes PV décentralisées, peuvent utiliser les onduleurs classiques à deux niveaux. on utilise la commande MLI vectorielle pour synchronisé la puissance de sortie de l’onduleur avec celle injectée au réseau . Dans ce mémoire, on analyse la modélisation et la simulation d’un système photovoltaïque connecté au réseau électrique GPV en utilisant une commande vectorielle Pour décrire cela, ce mémoire est présenté en quatre chapitres :  Dans le premier chapitre, on présente des généralités sur les systèmes photovoltaïques On présente le principe de l’effet photovoltaïque, la cellule PV et ses paramètres. En suite on présente un rappel sur les générateurs PV et leurs performances.  Dans le deuxième chapitre consacré pour l’étude de quelques types de convertisseurs DC-DC, utilisés dans les systèmes photovoltaïques. Comme l’hacheur dévolteur, l’hacheur survolteur et l’hacheur mixte (dévolteur-survolteur). Ainsi, on décrive la commande MPPT des convertisseurs DC-DC.  Dans la troisième chapitre on étudiera les convertisseurs DC-AC, leurs modélisations et ses principes de fonction. ainsi On présentera les stratégies de commande de l’onduleur précisément la MLI vectorielle.  Dans le quatrième chapitre on présentera les résultats de simulation d’un système photovoltaïque Connecté au réseau électrique. Ce système comprend un générateur photovoltaïque, un convertisseur survolteur « boost », une commande MPPT « perturbation et observation » et un onduleur triphasé à deux niveaux avec la commande MLI vectorielle. Le contrôle de la puissance, ainsi que la modélisation et la simulation ont été effectués sous le logiciel MATLAB/Simulink Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 3 Introduction 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 la filière la plus avancées sur le plan technologiques et industriel. Leur association en série/parallèle donne lieu à un module ou panneau photovoltaïque. En effet le mot " photovoltaïque " vient du grec " photo " qui signifie lumière et de " voltaïque " qui tire son origine du nom d’un physicien italien Alessandro Volta (1754 -1827) qui a beaucoup contribué à la découverte de l’électricité, alors le photovoltaïque signifie littérairement la≪lumière électricité ≫. Dans ce premier chapitre, nous allons parler d’une manière générale des systèmes photovoltaïques(PV), les éléments de captage d’un système PV (source d’énergie PV) et leur modélisation et le générateur photovoltaïque(GPV) et ses performances. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 4 1 –1 Le Systèmes photovoltaïque 1-1 Définition Le système photovoltaïque est constitué par une source d’énergie (générateur photovoltaïque), une interface de puissance (les convertisseur statique DC-DC et DC-AC avec un système de commande) et une charge. Le rôle principal du convertisseur statique est de faire une adaptation d’impédance de sorte que le générateur délivre le maximum d’énergie.[01] 1-2 Types d’un système solaire photovoltaïque Les systèmes photovoltaïques sont actuellement divisés en trois catégories : Autonome, hybride et raccordé au réseau électrique. 1-2-1 Système autonome Le rôle des systèmes autonomes est d'alimenter un ou plusieurs consommateurs situés dans Une zone isolée du réseau électrique. Les systèmes photovoltaïques autonomes sont actuellement divisés en deux types [02] 1-2-1-1 Système autonome sans batterie : Ce type de système ne requiert pas de stockage d’électricité, soit parce que la production d’énergie des cellules est suffisante sous un faible éclairage (exemple: calculatrice), soit que le temps de fonctionnement de la charge n’est pas critique (ex. : pompage photovoltaïque:leRéservoir d’eau sert de stockage). Figure 1.1Exemple d’un système PV autonome sans batterie Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 5 1-2-1-2 Système autonome avec batterie : C’est le système photovoltaïque le plus commun. Le champ PV sert de chargeur pour la batterie. L’électricité peut alors être utilisée en tout temps. (Ex. l’éclairage d’une maison dans la nuit). Figure 1.2Exemple d’un système PV autonome avec batterie 1-2-2 Système hybride Un système hybride à sources d'énergie renouvelables (SHSER) est un système électrique, comprenant plus d'une source d’énergie, parmi lesquelles une au moins estrenouvelable. Ce type de système s’applique particulièrement bien à des sites éloignés où il est important d’avoir de l’électricité à tout moment, où les coûts de transport ducarburant sont élevéset où il n’est pas encore rentable d’utiliser le système photovoltaïque seul avec les batteries. Ils sont souvent utilisés pour de très nombreuses applications d’intérêt sensible et stratégique comme les relais de télécommunication, les postes frontaliers, l’habitat isolé, etc., hors réseau d’électricité conventionnelle [03, 04]. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 6 Figure 1.3Exemple d’un système PV hybride 1-2-3 Système raccordé au réseau électrique Le système photovoltaïque est couplé directement au réseau électrique à l’aide d’un convertisseur Courant Continu/Courant Alternatif (DC-AC). Étant donné que l’énergie est normalement emmagasinée dans le réseau même. La Figure 1.4 montre les deux types d’installations existantes pour l’injection de la production solaire: [05] 1-2-3-1 Injection de la totalité de la production : L’énergie produite par les modules est directement injectée sur le réseau électrique. Les périodes d’injections sur le réseau correspondent aux périodes de production photovoltaïque. 1-2-3-2 Injection du surplus de production: L’énergie produite par les modules est directement consommée sur place par les charges. L’éventuel surplus de production par rapport à la consommation instantanée est injecté sur le réseau. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 7 Figure 1 .4Les deux types d’installations existantes pour l’injection de la production solaire 1-2Les éléments de captages d’un système PV raccordé au réseau électrique L’élément de base d’un système PV est la cellule PV. La puissance disponible aux bornes d’une cellule est très faible. Il est donc nécessaire d’associer en série et en parallèle de telles cellules pour obtenir des modules de puissance compatible avec le matériel usuel. Les modules sont ensuite connectés en série pour former une chaine. Enfin, les chaines sont connectées en parallèle pour former un générateur photovoltaïque. 1-2-1 La cellule PV 1-2-1-1Définition Les cellules photovoltaïques sont des composants optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité par un processus appelé « effet photovoltaïque », a été découverte par E. Becquerel en 1839 [06]. Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi- Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 8 conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés intermédiaires entre les conducteurs et les isolants. La structure la plus simple d’une cellule photovoltaïque comporte une jonction entre deux zones dopées différemment du même matériau (homo-jonction) ou entre deux matériaux différents (hétérojonction). Le but de la structure photovoltaïque, c’est de créer un champ électrique interne. 1-2-1-2Les types des cellules Il existe trois grands types des cellules en silicium : mono cristallin, poly cristallin et amorphe.[07] a)Cellule au silicium mono-cristallin Pour ce genre d’applications technologiques, le silicium pur est obtenu à partir de la silice de quartz ou de sable par transformation chimique métallurgique. Le silicium a un rendement électrique et une durée de vie de l’ordre de deux fois celle du silicium amorphe, mais il est nettement plus cher. Figure 1.5Cellule au Silicium Monocristallin b)Cellule au silicium poly-cristallin : Le silicium poly-cristallin est un matériau composé de cristaux juxtaposés obtenus par moulage. Ce matériau est moins coûteux (que le mono- cristallin). Les cellules carrées ou rectangulaires sont faciles à utiliser. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 9 Figure 1.6 Cellule au Silicium Poly-cristallin c)Cellule au silicium amorphe : Le silicium absorbe le rayonnement solaire jusqu’à 100 fois mieux qu’en état cristallin; les cellules sont constituées par des couches très minces. Figure 1.7Cellule au Silicium amorphe (couche mince) 1-2-1-3 Principe de fonctionnement d'une cellule photovoltaïque Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi- conducteur transportant les charges électriques.Le matériau semi-conducteur comporte deux parties, l’une présentant un excès d’électrons et l’autre un déficit d'électrons. Ces deux parties Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 10 sont respectivement dites « dopées » de type n et de type p. Le dopage des cristaux de silicium consiste à leur ajouter d’autres atomes pour améliorer la conductivité du matériau. Un atome de silicium compte 4 électrons périphériques. L’une des couches de la cellule est dopée avec des atomes de phosphore qui, eux, comptent 5 électrons (soit 1 de plus que le silicium). On parle de dopage de type n comme négatif, car les électrons (de charge négative) sont excédentaires. L’autre couche est dopée avec des atomes de bore qui ont 3 électrons (1 de moins que le silicium). On parle de dopage de type p comme positif en raison du déficit d’électrons ainsi créé. Lorsque la première est mise en contact avec la seconde, les électrons en excès dans le matériau n diffusent dans le matériau p. Figure 1.8Constitution d'une cellule photovoltaïque (d'après source CEA) En traversant la cellule photovoltaïque, les photons arrachent des électrons aux atomes de silicium des deux couches n et p. Les électrons libérés se déplacent alors dans toutes les directions. Après avoir quitté la couche p, les électrons empruntent ensuite un circuit pour retourner à la couche n. Ce déplacement d’électrons n’est autre que de l’électricité. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 11 1-2-1-4 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque  Tension de circuit ouvert Vco Si on place une cellule sous une source lumineuse constante, sans aucun récepteur à ses bornes, celle-ci va produire une tension continue d’environ 0,6 V, appelée tension en circuit ouvert Vco (elle varie légèrement avec l’éclairement). Cette valeur correspond à la tension de coupure d’une diode, ce qui confirme le fait qu’on puisse assimiler une cellule solaire à une jonction P- N. Pour obtenir une tension plus élevée à la sortie du module, il va falloir associer les cellules en série[08]  Courant de court-circuit Icc A l’inverse du cas précédent, si l’on place une cellule en court-circuit, elle va débiter un courant maximal à tension nulle. Ce courant est dit courant de court-circuit Icc. De même que pour la tension, il faudra associer les cellules en parallèle pour augmenter significativement la valeur de l’intensité en sortie du module [08].  Puissance Le but recherché par tous les utilisateurs de générateur photovoltaïque est que l’énergie produite soit la plus optimale possible. La Figure 1.9représente la caractéristique courant tension d’une cellule sous illumination ainsi qu’une courbe théorique de puissance constante (puissance = tension × intensité). Pour l’éclairement considéré, le point de puissance maximale MPPT représente le point où la puissance de la cellule est maximale. Ce point, est associé à une tension maximale Vpm et à une intensité maximale Ipm. C’est cette puissance qui sera toujours recherchée par des régulateurs de charge afin d’optimiser la charge de la batterie et le fonctionnement du générateur. Par ailleurs, lorsqu’il est question de puissance maximale dans les conditions normalisées d’ensoleillement, on parle alors de puissance crête, mesurée en watts-crête (Wc) [08]. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 12  Rendement Le rendement énergétique est défini comme étant le rapport entre la puissance maximale produite Pm et la puissance du rayonnement solaire parvenant au module. Soit (S) la surface du module et (E) l’éclairement, ce rendement a pour expression : 𝜇 = 𝑝𝑚 𝐸∗𝑆 Figure 1.9 Caractéristique puissance - tension & courant- tension de la cellule PV 1-2-1-3 Modélisation des cellules PV La modélisation des cellules PV passe nécessairement par un choix judicieux des circuits électriques équivalents. Pour développer un circuit équivalent précis pour une cellule PV, il est nécessaire de comprendre la configuration physique des éléments de la cellule aussi bien que les caractéristiques électriques de chaque élément. Selon cette philosophie plusieurs modèles électriques ont été proposés pour représenter la cellule photovoltaïque. Ces modèles se différencient entre eux par les procédures mathématiques et le nombre de paramètres intervenant dans le calcul de la tension et du courant du module PV. Parmi ces modèles on peut citer les suivants : a) Modèle à une diode  Modèle à trois paramètres (L3P).  Modèle à quatre paramètres (L4P). Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 13  Modèle à cinq paramètres (L5P). b) Modèle à deux diode  Modèle à sept paramètres (2M7P).  Modèle àsix paramètres (2M6P).  Modèle à cinq paramètres (2M5P). Dans notre modélisation, nous intéressons par le modèle à deux diode avec cinq paramètre 2M5P (Lumped,2 Mechanism model with 5 Paramètres). La Figure 1.10 représente le schéma équivalent d’une cellule PV à deux diode avec cinq paramètres. Ce modèle est composé d’un générateur de courant dont la valeur du courant est proportionnel à l’éclairement reçu à la surface de la cellule PV, deux diode, dans ce modèle en supposent que la résistance shunt est infinie, la résistance série est nulle[09]. I pv I d1 I d2 I ph V pv Figure 1.10Schéma électrique équivalent d’une cellule PV a deux diode avec 5 paramètre L’équation caractéristique est déduite par d’une manière directe a partir de la loi de Kirchhoff Ipv = Iph − Id1 − Id2 1- 1 Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 14 Avec: La diode étant un élément non linéaire .sa caractéristique I-V donnée par la relation : Id1 = Is1(exp ( vd n1. vt ) − 1) 1- 2 Id2 = Is2(exp ( vd n2. vt ) − 1) 1- 3 Avec: 𝑉𝑡 = 𝐾𝑇𝑐 𝑞 : représentant le potentiel thermodynamique. 𝐾: Constante de Boltzmann (𝐾= 1.38∙ .10-23.J . K -1 ). 𝑞: Charge de l'électron (𝑞 =1.602 10 -19 C). 𝑇𝑐: Température de la cellule (°K). Le courant électrique produit par la cellule est alors donnée par l’expression suivante : Ipv = Iph − Is1 (exp ( vd n1. vt ) − 1) − Is2(exp ( vd n2. vt ) 1- 4 Le courant photonique lié à l’éclairement , à la température et au courant photonique mesuré aux condition de référence est donnée par Iph = G Gref (Iphref − µcc (Tc − Tcref)﴿ 1- 5 Avec : 𝐼𝑝ℎ𝑟𝑒𝑓 : le courant photonique sous condition de référence [A] µ𝑐𝑐 : coefficient de sensibilité de l’intensité a la température [A /k] 𝐺, 𝐺𝑟𝑒𝑓 : l’éclairement réels et à la condition référence [W /m2] (𝑇𝑐, 𝑇𝑐_𝑟𝑒𝑓)la température de cellule, réels et à la condition de référence Le courants de saturation ls1 et ls2 sont donnés par les relations suivantes : Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 15 Is1 = CS1. Tc 3. exp (− Egap. q n1. T. K ) 1- 6 Is2 = Cs2. Tc 3/2. exp (− Egap. q n1. T. K ) 1-7 Les constantes Cs1 et Cs2 sont généralement comprises respectivement entre 150 – 180 A.K-3 et 1,3 – 1,7 x 10-2 A.K-5/2 pour un cellule de 100 cm2. Une valeur du facteur d’idéalité n différent de l’unité est associée à un mécanisme de recombinaison prédominant et elle dépend de la nature et de la position des niveaux pièges.  n = 1 : La zone de charge d’espace est dépeuplée (cas idéal).  1 < n < 2 : Le niveau piège est peu profond dans la zone de charge d’espace et n dépend de la polarisation.  2 < n < 4 : Les centres de recombinaison sont distribués de façon non uniforme avec une densité réduite au centre de la zone de charge d’espace par rapport à la surface E gap : Energie de gap (Silicium cristallin = 1,12 eV , Silicium amorphe = 1,7 eV, CIS = 1,03 eV, CdTe =1,5 eV). 1-3 Modules photovoltaïques 1-3-1Définition Typiquement une cellule photovoltaïque produit moins de 2 watts sous approximativement 0,5 Volt. En effet pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assemblées pour former un module Figure 1.11.Les cellules sont en soudant le contact avant de chaque cellule au contact arrière de la suivante. Ces cellules sont protégées d’humidité, des chocs et des nuisances par encapsulation dans un polymère EVA (éthylénevynil- acétate) et protégé sur la surface avant d’un verre, trempé à haute transmission et de bonne résistance mécanique, et sur la surface arrière d’une ou de polyéthylène. Les modules actuels sont généralement composés de 36 cellules (18 V) ou 72 cellules PV en série (36 V). Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 16 Figure 1.11Représentation d’un Module photovoltaïque où les connections en série de ces cellules augmentent la tension pour un même courant, tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension Figure 1.12[10 ,11]. Figure 1.12Caractéristique résultante d'un groupement de 2 cellules (série & parallèle). 1-4Le Générateur photovoltaïque et ses performances 1-4-1 Le générateur PV Le générateur photovoltaïque est un ensemble d’équipements mis en place pour exploiter l’énergie photovoltaïque afin de satisfaire les besoins en charge. En fonction de la puissance désirée, les modules peuvent être assemblés en panneaux pour constituer un "champ photovoltaïque". Pour un certain nombre d'applications, le courant continu produit, par le générateur photovoltaïque, est convertit à l'aide d'un onduleur en courant alternatif. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 0 1 2 3 4 5 6 7 8 tension(V) co ur an t(A ) groupement serie 2 cellules en serie 1 seule cellule 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0 5 10 15 tension(V) co ur an t(A ) groupement paralléle 2 cellules en paralléle 1 seule cellule Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 17 Un module photovoltaïque est constitué d’un ensemble de cellules photovoltaïques élémentaires montées en série et/ou en parallèle afin d’obtenir des caractéristiques électriques désirées tels que: la puissance, le courant de court-circuit Icc ou la tension en circuit ouvert Vco. Un générateur photovoltaïque est constitué d’un ou plusieurs modules PV en série et / ou en parallèle pour obtenir une puissance, un Icc et un Vco désirés[12] 1-4-2 Les caractéristiques I=f(V) et P=f(v) d’un générateurphotovoltaïque La Figure 1.13 représente la courbe I =f (V) et P=f(V)d’un module photovoltaïque typique dans des conditions constantes d’irradiation et de température. L’irradiation standard adoptée pour mesurer la réponse des modules photovoltaïques est une intensité rayonnante de 1000 W/m2 et une température de 25°C. Figure1.13caractéristique I-V et P-V d'un GPV. Il est difficile de donner un caractère source de courant ou de tension à un module photovoltaïque sur toute l’étendue de la caractéristique courant-tension. Par conséquent, le module photovoltaïque est considéré comme une source de puissance avec un point Pm. Il est important de noter que certains régulateurs solaires réalisent une adaptation d’impédance afin qu’à chaque instant on se trouve proche de ce point P où la puissance se trouve être maximale. Il est donc intéressant de se placer sur ce point pour tirer le maximum d’énergie et ainsi exploiter au mieux la puissance crête installée. Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 18 Il est important de noter que certains régulateurs solaires réalisent une adaptation d’impédance afin qu’à chaque instant on se trouve proche de ce point Pm .[13] 1-4-3 Influence de l’éclairement et la température sur les courbes I=f(V) et P=f(V) 1-4-3-1Influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V) et P=f(V) La Figure I.14 montre l’influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V). A une température constante, on constate que le courant subit une variation importante, mais par contre la tension varie légèrement ;car le courant de court-circuit est une fonction linéaire de l’éclairement alors que la tension de circuit ouvert est une fonction logarithmique [14] Figure 1.14Influence de l’éclairement sur la caractéristique I=f(V) La Figure I.15 illustre la variation de la puissance délivrée par le générateur en fonction de la tension pour différentes valeurs d’éclairement, ce qui nous permet de déduire l’influence de l’éclairement sur la caractéristique P(V). 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 tension(V) co ura nt( A) G=500 G=1000 G=700 G=200 Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 19 Figure 1.15L’influence de l’éclairement sur la caractéristique P=f(V). 1-4-3-2Influence de la température sur la caractéristique I=f(V) et P=f(V) La Figure 1.16 montre l’influence de la température sur la caractéristique I=f(V). Il est essentiel de comprendre l'effet de changement de la température d'une cellule solaire sur la caractéristique I=f(V) Le courant dépend de la température puisque le courant augmente légèrement à mesure que la température augmente, mais la température influe négativement sur la tension decircuit ouvre. Quand la température augmente la tension de circuit ouvert diminue. Par conséquent la puissance maximale du générateur subit une diminution [3]. 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 300 350 400 tension(V) ou iss an ce (W ) G=500 G=1000 G=700 G=200 Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 20 Figure 1.16L’influence de la température sur la caractéristique I=f(V) La Figure 1.17 illustre la variation de la puissance délivrée par le générateur en fonction de la tension pour différentes valeurs de la température, ce qui nous permet de déduire l’influence de la température sur la caractéristique P=f(V) [15]. Figure 1.17 L’influence de la température sur la caractéristique P=f(V) 0 5 10 15 20 25 0 5 10 15 20 25 tension(V) co ur an t(A ) T=25 c° T=5 c° T=0 c° T=40 c° 0 5 10 15 20 25 0 50 100 150 200 250 300 350 400 tension(V) pu iss an ce (W ) T=25°c T=0°c T=5°c T=40°c Chapitre 1 Généralité sur Les Système Photovoltaïques 21 Conclusion Ce chapitre nous a permis de donner un aperçu général sur les systèmes photovoltaïques. Dans la première partie on a donné une classification des systèmes solaire photovoltaïques avec une description de la cellule PV et son modèle mathématique précisément le modèle à deux diodes avec cinq paramètres. La seconde partie du chapitre est consacrée au générateur PV et l’influence de température et l’éclairement sur leur caractéristique I-V et P-V. Dans le chapitre prochain, on présentera une étude sur les convertisseurs DC-DC (hacheurs) et leurs commande MPPT pour chercher le point où la puissance du générateur photovoltaïque est maximale. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPP Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 23 Introduction Comme on a vu dans le chapitre précédent, les caractéristiques d’un module solaire montrent bien que la puissance maximale générée dépend fortement de l’intensité des radiations solaires ainsi que de la température. En plus de ces dépendances, le module solaire ne peut générer sa puissance maximale que pour une certaine tension et courant de fonctionnement, la position de ce point de fonctionnement dépendant à son tour de l’ensoleillement et de la température ainsi que de la charge. Pour que le module fournisse sa puissance maximale disponible il faut une adaptation permanente de la charge avec le générateur photovoltaïque. Cette adaptation pourra être réalisée par l’insertion d’un convertisseur DC-DC (hacheur) contrôlé par un mécanisme de poursuite «Maximum Power Point Tracking» (MPPT) [06]. Le but de ce chapitre est l’étude de quelques types de convertisseurs DC-DC, utilisés dans les systèmes photovoltaïques. Comme l’hacheur dévolteur, l’hacheur survolteur et l’hacheur mixte (dévolteur-survolteur). Ainsi, on décrive la commande MPPT des convertisseurs DC-DC. On présente dans ce chapitre, quelques méthodes MPPT basées sur contre réaction de puissance, comme l’algorithme d’incrémentation de l’inductance et méthode de perturbation et observation. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 24 2-1 Les convertisseurs DC-DC(hacheurs) Les hacheurs sont des convertisseurs du type continu-continu permettant de contrôler la puissance électrique dans des circuits fonctionnant en courant continu avec une très grande souplesse et un rendement élevé [07]. Le hacheur se compose de condensateurs, d’inductance et de commutateurs. Dans le cas idéal, tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance active, c’est la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs[07]. La technique du découpage, apparue environ dans les années soixante, a apporté une solution au problème du mauvais rendement et de l'encombrement des alimentations séries. Dans une alimentation à découpage (Figure 2.1), la tension d’entrée est "hachée" à une fréquence donnée par un transistor alternativement passant et bloqué. Il en résulte une onde carrée de tension qu'il suffit de lisser pour obtenir finalement une tension continue [07]. Figure 2.1 Schéma de principe d'un type d’alimentation à découpage D’un point de vue circuit, le hacheur apparaît comme un quadripôle (Figure 2.2), jouant le rôle d’organe de liaison entre deux parties d’un réseau. On peut le considérer comme un transformateur de grandeurs électriques continues [07]. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 25 Figure 2.2 Schéma d’un quadripôle électrique La régulation de la tension de sortie à un niveau constant est réalisée par une action sur le "rapport cyclique", défini comme la fraction de la période de découpage où l’interrupteur est passant (Figure 2.3). L’interrupteur est un dispositif semi- conducteur en mode tout-rien (bloqué – saturé), habituellement un transistor MOSFET. Si le dispositif semi-conducteur est bloqué, son courant est zéro et par conséquent sa dissipation de puissance est nulle. Si le dispositif est dans l'état saturé la chute de tension à ses bornes sera presque zéro et par conséquent la puissance perdue sera très petite[07]. Pendant le fonctionnement du hacheur, le transistor sera commuté à une fréquence constante𝑓𝑠 avec un temps de fermeture= 𝑇𝑑𝑠 et un temps d’ouverture= (1 − 𝑑)𝑇𝑠.Où:  𝑇𝑠 estlapériodedecommutationquiestégaleà 1 𝑓𝑠  𝑑 le rapport cyclique du commutateur (𝑑 ∈ [0 ,1]). Figure2.3 périodes fermeture et ouverture d’un commutateur. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 26 2-2Les types des convertisseurs DC-DC 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 [08]:  convertisseur survolteur (hacheur survolteurouparallèle).  convertisseur dévolteur (ousérie).  convertisseur dévolteur- survolteur (hacheur série –parallèle). 2.2.1 Hacheur survolteur (ouBoost) Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie Vs est supérieure à celle de l’entrée 𝑉𝑖 Cette structure demande un interrupteur commandé et en parallèle avec la source, voir (Figure 2.4). Le montage le plus simple consiste à mettre périodiquement en court-circuit la résistance R pendant une durée t = α tf bien déterminée; cette mise en court-circuit estassurée par un hacheur branché en parallèle avec la résistance. Ce hacheur comporte trois composants essentiels : Une inductance L, une capacité C et un interrupteur qui peut prendre deux états, U=1 et U=0. Figure 2.4Schéma de principe d’un hacheur parallèle (boost) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 27 Pour un rapport cyclique « α » donné, et en régime de conduction continu, la tension moyenne et le courant à la sortie sont donnés par [08]: 𝑉𝑠 = 1 1−𝛼 𝑉𝑒 (2.1) 𝐼𝑠 = (1 − 𝛼)𝐼𝑒 (2.2) α : est appelé rapport cyclique, et compris entre 0 et 1. Le rapport cyclique α est généré par un comparateur dépose sur la technique MLI où il résulte de l’intersection de deux signaux, l’un triangulaire et l’autre prend une valeur de référence, varie d’aprèsla tension cible de la sortie du hacheur 𝑉𝑠(figure2.5). Figure 2.5Génération d’une valeur de rapport cyclique α Le calcul des composants L et C se fait grâce aux expressions suivantes: ∆𝐼𝑒 = 𝑉𝑒 𝐿𝑓𝑝 𝑎 (2.3) ∆𝑉𝑠 = 𝑉𝑒𝑎 𝑅.𝐶ℎ𝑓𝑝(1−𝑎) (2.4) 𝑓𝑝représente la fréquence de porteuse utilisée. Avec ∆𝐼𝑒, ∆𝑉𝑠, les oscillations du courant dans l’inductance et de la tension de sortie autour de leurs valeurs moyennes. On s’aperçoit que le convertisseur Boost est le sujet de nombreuses réflexions et ressort le plus fréquemment dans la littérature pour une conversion DC/DC. En effet en prenant en compte les caractéristiques des différents convertisseurs DC/DC, le Boost, de part sa simplicité, son faible coût et son rendement élevé, Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 28 est la structure retenue pour réaliser la plupart des convertisseurs DC/DC photovoltaïques. Dans le cas où la puissance générée du générateur photovoltaïque est plus forte il faut intéresser àcetyped’hacheurpouraugmenterlatensiond’entréedel’onduleur. 2.2.2 Hacheur dévolteur (série) Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie Vs est inférieure à celle de l'entrée Vi. Il comporte un interrupteur à amorçage commandé (transistor, bipolaire, transistor MOS ou IGBT…) et en série avec la source (Figure 2.6) et une diode de roue libre. Le cycle de fonctionnement de période de hachage T, comporte deux étapes. Lors de la première, on rend le MOSFET passant et la diode polarisée en inverse, est bloquée. Cette phase dure de 0 à α T. Lors de la seconde, on bloque le MOSFET. La diode devient passante. Cette phase dure de αt à T [08]. Figure 2.6Schéma de principe d’un hacheur série On en déduit facilement la tension et l'intensité dans la charge par les équations suivante : { 𝑉𝑠 = 𝑎. 𝑉 𝐼𝑠 = 1 𝑎 . 𝐼𝑒 (2.5) Avec : 𝑎 = 𝑡𝑓 𝑇 2.2.3 Hacheur dévolteur - survolteur (série −parallèle) Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie Vs est inférieure ou supérieure à celle de l’entrée Ve. Pour un rapport cyclique « α» donné, et en régime de conduction continu (figure 2.7), la tension moyenne à la sortie est donnée par :𝑉𝑠 = 𝑎 1−𝑎 𝑉𝑒 (2.6) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 29 Figure 2.7Schémas de principe d’un hacheur série-parallèle 2.2.4Adaptation de la charge Le convertisseur d’énergie photovoltaïque choisi est un hacheur de type survolteur ou dévolteur ou dévolteur- survolteur selon les applications de la charge. Ce type de convertisseur est destiné à adapter à chaque instant l’impédance apparente de la charge à l’impédance du champ PV correspondant au point de puissance maximal (Figure 2.8). Ce système d’adaptation est couramment appelé MPPT (Maximum Power Point Tracking). Dans la (Figure 2.8), la zone (1) de la caractéristique courant-tension I-V est une zone de fonctionnement dans le mode « hacheur dévolteur » et l’MPPT est assurée pour toute résistance Ri comprise entre [0, 𝑅𝑜𝑝𝑡].Ceci s’inverse pour la zone (2) de la caractéristique courant-tension I- V qui présente la zone de fonctionnement dans le mode «hacheur survolteur » ou le fonctionnement du MPPT est assuré pour toute résistance Ri comprise entre [𝑅𝑜𝑝𝑡, ∞]. Donc, un choix de convertisseur dévolteur ou survolteur pour une charge donnée est impératif et on peut utiliser l’un des deux types de convertisseur selon la configuration du circuit. Si il’ y a une possibilité de fluctuation de la tension demandée par la charge au-dessous est au-dessus de celle débité par la source, un Hacheur dévolteur/survolteur s’avère nécessaire. Dans cette partie on se limite au hacheursurvolteur Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 30 Figure 2.8Répartition de la caractéristique selon le fonctionnement du hacheur utilisé 2.3 Etude de l’hacheur survolteur d’un système photovoltaïque 2.3.1Représentation d’un hacheur survolteur PV Dans ce cas, la tension d’entrée de l’hacheur boost représente la tension du générateur photovoltaïque PV (la Figure2.9). Figure 2.9Schéma d’un hacheur parallèle (boost) raccordé au générateur photovoltaïque la résistance à la sortie du panneau PV (𝑅𝑝𝑣) en fonction de α et 𝑅𝑐ℎ : 𝑅𝑐ℎ = 𝑅𝑝𝑣 (1−𝑎)2 (2.7) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 31 Dans les conditions optimales et pour une charge𝑅𝑐ℎégale la résistance del’entrée 𝑅𝑝𝑣, le rapport cyclique (𝛼 = 0) Aussi, le rapport cyclique α s’écrit en fonction des résistances 𝑅𝑝𝑣et 𝑅𝑐ℎ: 𝑎 = 1 − √ 𝑅𝑝𝑣 𝑅𝑐ℎ (2.8) Puisque le rapport α est inférieur à 1 (𝛼 < 1), le convertisseur ne joue le rôle d’un élévateur que si la charge 𝑅𝑐ℎremplit la condition suivante: 𝑅𝑐ℎ > 𝑅𝑝𝑣. Les déférents signaux des grandeurs de convertisseur boost sont illustrés dans la figure (2.10) Figure 2.10Formes typiques des ondes du convertisseur boost 2.3.2 Modélisation d’un hacheur survolteur La modélisation de ce convertisseur passe par l’analyse des différentes séquences de fonctionnement que nous supposerons de durées fixées par la commande𝛼. Il apparaît deux séquences de fonctionnement selon l’état de l’interrupteur S, que nous pouvons représenter chacune par une équation différentielle . Dans de tels systèmes, l’ordre d’équations d’états est égal au nombre des éléments de stockage (pour ce cas étudié l’ordre est de 2). Dans le cas où le système considéré est linéaire, la représentation d’état se met sous la forme: { �̇� = 𝐴𝑥 + 𝐵𝑢 𝑦 = 𝐶𝑥 Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 32 Où x: vecteur d’état : x=[x1, x2]=[𝑖𝐿 , vc]. u: vecteur de commande. A: matrice d’état. B: matrice d'entrée. y : le vecteur de sortie. C: matrice de sortie.  Première séquence de conduction [𝟎 à 𝜶𝑻]:Lorsque S est fermé. Le comportement dynamique du circuit est donné par: 𝑉𝑝𝑣 = 𝐿 𝑑𝐼𝑙 𝑑𝑡 (2.9) 𝑥𝑖 = 𝑉𝑝𝑣 𝐿 𝑣𝑐 = 1 𝑐 ∫ 𝑖𝑐 𝑑𝑡 (2.10) 𝑥2̇=1 𝑐 𝑖𝑐 0 = 𝑐 𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 + 𝐼𝑐ℎ [ 𝑥1̇ �̇�2 ] = [ 0 0 0 − 1 𝑅𝐶 ] [ 𝑥1 𝑥2 ] + [ 1 𝐿 0 ] 𝑉𝑝𝑣 (2.11) qui peut être écrit sous la forme: �̇�=𝐴1𝑥 + 𝐵1𝑉𝑝𝑣 (2.12) 𝑉𝑐ℎ = 𝐶1𝑥 Avec : 𝐶1 = [0,1]  Deuxième séquence de conduction:[αT à T] : Lorsque S est ouvert. 𝐿 𝑑𝐼𝐿 𝑑𝑡 = 𝑉𝑃𝑉 − 𝑉𝐶 𝐶 𝑑𝑉𝑐 𝑑𝑡 = 𝑖𝐿 − 𝑉𝐶 𝑅 𝑥1̇=1 𝐿 𝑉𝑝𝑣 − 1 𝐿 𝑥2 𝑥2̇=1 𝑐 𝑥1 − 1 𝑅𝐶 𝑥2 (2.13) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 33 𝑉𝑝𝑣 = 𝐿 𝑑𝐼𝑙 𝑑𝑡 + 𝑉𝑐 (2.14) 𝐼𝑙 = 𝑐 𝑑𝑣𝑐 𝑑𝑡 + 𝐼𝑐ℎ (2.15) D’où : [ 𝑥1̇ �̇�2 ] = [ 0 − 1 𝐿 1 𝑐 − 1 𝑅𝐶 ] [ 𝑥1 𝑥2 ] + [ 1 𝐿 0 ] 𝑉𝑝𝑣 (2.16) Ce système peut être mit sous la forme : �̇�=𝐴2𝑥 + 𝐵2𝑉𝑝𝑣 𝑉𝑐ℎ = 𝐶1𝑥 (2.17)  Model Moyen: A partir des équations (2.11) et (2.17), on peut déduire la forme moyenne et 𝑉𝑐ℎpour toute la période: 𝑥1̇ = (𝐴1𝑥 + 𝐵1𝑉𝑝𝑣)𝑎 + (𝐴2𝑥 + 𝐵2𝑉𝑝𝑣)(1 − 𝑎) 𝑉𝑐ℎ = (𝐶1𝑎 + 𝐶1(1 − 𝑎))𝑥 (2.18) Avec : 𝐴 = 𝐴1𝑎 + 𝐴2(1 − 𝑎) (2.19) 𝐵 = 𝐵1𝑎 + 𝐵2(1 − 𝑎) Où , A: matrice d’état ; B : matrice de commande En conclusion: le modèle moyen du hacheur survolteur est : { 𝑥1̇ = − 1−𝑎 𝐿 𝑥2 + 1 𝐿 𝑢 𝑥2̇ = 1−𝑎 𝑐 𝑥1 − 1 𝑅𝐶 𝑥2 (2.20) Ainsi le courant de la charge égale : 𝐼𝑐ℎ = 1 𝑅 𝑉𝐶 = 1 𝑅 𝑥2 𝑥2 = 𝑅. 𝐼𝑐ℎ Donc l’équation 2.20 sera comme suite : { 𝑥1̇ = − 1−𝑎 𝐿 𝑥2 + 1 𝐿 𝑢 𝑥2̇ = 1−𝑎 𝑐 𝑥1 − 1 𝑐 𝐼𝑐ℎ (2.21) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 34 2.4 Technique de commande de l’MPPT 2.4.1 Définition Les générateurs photovoltaïques ont une production électrique aléatoire directement dépendante des conditions météorologiques. Ainsi, le dimensionnement et l’exploitation optimale de l’énergie produite par ces générateurs exige l’utilisation de méthodes de gestion appropriées. De même, l’amélioration du rendement du système photovoltaïque nécessite la maximisation de la puissance du générateur PV qui permet d’établir la commande adéquate en vue de tirer le maximum de puissance de ces générateurs. Par définition, une commande MPPT, associée à un étage intermédiaire d’adaptation, permet de faire fonctionner un générateur PV de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance. Ainsi, quelque soient les conditions météorologiques (température et irradiation), et quelle que soit la tension de la batterie, la commande du convertisseur place le système au point de fonctionnement maximum [12]. 2.4.2 Convertisseur Pour la poursuite du point de puissance maximum(MPPT) Pour la maximisation de puissance de la source PV, en intercalant un quadripôle d’adaptation qui est un convertisseur d’énergie DC-DC entre la source PV et la charge et avec le contrôle rigoureux du rapport cyclique de ce dernier, Cette adaptation se réalise en cherchant de façon automatique le PPM du panneau PV et un suivi continu de la puissance maximale est assuré. Ce type de convertisseur est destiné à adapter à chaque instant l’impédance apparente de la charge à l’impédance du champ PV correspondant au point de puissance maximal. Ce système d’adaptation est couramment appelé MPPT (maximum power point tracking). Son rendement se situe entre 90 et 95% [13]. La Figure 2.9 représente le schéma synoptique du ce système PV. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 35 Figure 2.9 Schéma synoptique du système PV par une commande MPPT . On utilise le convertisseur de type DC/DC dans la partie Contrôle du système photovoltaïque car il est facile à contrôler par leurs rapports cyclique en utilisant un signal MLI. Ici, on utilise le hacheur Boost comme interface de puissance à contrôler par le régulateur MPPT, afin d’adapter la tension de sortie du hacheur à la tension requise par la charge [14]. Du fait de la non linéarité de la caractéristique I-V, le circuit MPPT oblige le système à fonctionner en permanence sur le point à puissance maximale du générateur, une fois l’éclairement ou la température change. Le hacheur capte alors la puissance électrique absorbée selon une période d’échantillonnage, et commence à incrémenter ou décrémenter le rapport cyclique α pour annuler le gradient de la puissance P [15]. 𝛿𝑝 𝛿𝑎 = 0 (2.22) En effet, ces dispositifs permettent aujourd’hui d’adapter et d’optimiser la production photovoltaïque par le biais de convertisseurs de puissance DC-DC insérés entre les modules photovoltaïques et l’entrée de l’onduleur. Généralement, ces étages disposent de commandes de gestion électrique plus ou moins complexes permettant d’adapter la tension PV à la tension d’entrée de l’onduleur [16]. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 36 2.4.3 Le principe de fonctionnement du MPPT d’un générateur PV La commande MPPT permet de chercher le point de fonctionnement optimal du module photovoltaïque dans les conditions météorologiques variables. Ceci est basé sur la variation automatique du rapport cyclique α du signal qui commande le convertisseur d’énergie, à une valeur adéquate de manière à maximiser la puissance à la sortie du module [17]. Comme le montre la Figure 2.10, pour une puissance incidente W1, la puissance optimale transférée à la charge est obtenue pour un rapport cyclique αopt1 (point PPM1). Si la puissance incidente change (W2), alors ce point de puissance maximale est le point PPM2 et le point de fonctionnement du générateur PV est le point Pf (Figure . 2.10a). Pour converger vers le nouveau point PPM2, il faut ajuster le rapport cyclique α à la valeur 𝛼𝑜𝑝𝑡2. Il en sera de même que lorsque la charge 𝑅𝑐ℎchange (Figure. 2.10b): Le point de puissance maximale dévie de sa position optimale (PPM1); pour converger vers ce PPM1, il faut agir sur le rapport cyclique(α). Figure 2.10Fluctuation du PMM avec : a) Variation de l’éclairement et b) Variation de la charge Pour savoir l’efficacité de la technique du MPPT, on définit le rendement MPPT (𝜂𝑀𝑃𝑃𝑇) comme suit : 𝜂𝑀𝑃𝑃𝑇 = 𝑃𝑖𝑛 𝑃𝑀𝑎𝑥 (2.23) Il donne le % de pertes de puissance d’un module PV (PIN), qui correspond à l’entrée de l’étage d’adaptation, par rapport à la fourniture de la puissance maximale qu’il Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 37 pourrait produire (PMAX) [18]. Pour transférer la puissance électrique produite, le mode de transfert utilisé peut présenter plus ou moins un taux de pertes lié à sa constitution. Nous définissons pour qualifier ces étages de conversion électrique- électrique et de transfert, le rendement de conversion d’un étage d’adaptation noté 𝜂𝑐𝑜𝑛𝑣permettant d’évaluer les pertes liées à la conversion de puissance associée à l’étaged’adaptation. Figure 2.11 Chaine de conversion photovoltaïque Ce type de rendement dépend du temps et des conditions de fonctionnement. Il est nécessaire, pour obtenir une grande précision sur cette grandeur, d’effectuer les mesures de courant et de tension en entrée et en sortie de l’étage au même instant garantissant ainsi la connaissance précise du transfert de puissance effectué à un instantdonné. 𝜂𝑐𝑜𝑛𝑣 = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑃𝑉 (2.24) Le rendement global de la chaîne de conversion photovoltaïque, noté ηTOTAL, peut donc être défini comme le produit des trois rendements précédemment définis sur le même intervalle de temps. 𝜂𝑡𝑜𝑡 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐺.𝑆 . 𝑃𝑃𝑉 𝑃𝑚𝑎𝑥 . 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑃𝑃𝑉 (2.25) Ce rendement traduit la capacité de la totalité d’une chaîne PV à produire plus ou moins de l’énergie électrique. Cela permet également de comprendre la différence entre un rendement effectué en laboratoire sur des matériaux et des cellules PV sous température et irradiation contrôlées et le rendement réel des GPV installés fonctionnant en conditions réelles [18]. 2.4.4 Différentes techniques d’MPPT Afin d’extraire Le maximum de puissance d’un panneau solaire, on peut raisonner Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 38 surplusieurs et différentes méthodes, Certains des concepts sont très robustes et simples, tandis que d'autres approches exigent des dispositifs de logique très sophistiqués tels que des micro- processeurs combinés avec des circuits de puissance, de convertisseurs de commutation… Divers 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 fréquemment les techniques de maximisation de puissance suivantes [19]:  Perturbation et observation.(P&O).  La méthode incrémentation de laconductance.  Méthode de capacitéparasite. Chacune de ces techniques à ces propres avantages et inconvénients du point de vue simplicité, efficacité et robustesse. Dans notre travail, on se limite à la méthode de Perturbation et observation (P&O), qui est très simple à implanter, et de bon rendement. 2.4.5 La méthode Perturbation et ObservationP&O  Définition C’est l’algorithme de poursuite du 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 où en agissantdirectement sur le rapport cyclique du convertisseur DC/DC, puis l’observation de l’effet sur la puissance de sortie du panneau. Si la valeur de la puissance actuelle P(k) du Panneau 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. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 39  Le fonctionnement de l’algorithmeP&O La Figure 2.12 donne l’organigramme de cet algorithme [14]. Figure 2.12Organigramme de l’algorithme Perturbation et Observation (𝑃 & 𝑂) D'abord la tension V et le courant I sont mesurés pour calculer la puissance 𝑃(𝑘). Cette valeur P(k) est comparée à la valeur de la puissance obtenue durant la dernière mesure 𝑃(𝑘 − 1). 1- Si la puissance fournie par le panneau a augmenté depuis la dernière mesure,l’incrémentation ou des incrémentations du rapport cyclique α continuera dans le même sens que lors du dernier cycle et ceci est fait par le test sur𝑑𝑉.  Si 𝑑𝑉 > 0 cela veut dire qu’on a incrémenté V durant le dernier cycle c'est- à– dire 𝛼(𝑘 + 1) = 𝛼(𝑘) + ∆𝛼 (2.26) Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 40  Si 𝑑𝑉 < 0 cela veut dire qu’on a décrémenté V durant le dernier cycle c'est- à - dire qu’on va mettre: 𝛼(𝑘 + 1) = 𝛼(𝑘) − ∆𝛼 (2.27) Donc on termine dans le chemin où P continue à augmenter. Si la puissance fournie par le panneau a diminué de puis la dernière mesure, l’incrémentation ou la des incrémentations du rapport cyclique α sera en sens inverse par rapport au dernier cycle et ceci est fait aussi par le test sur 𝑑𝑣. Avec cet algorithme la tension de fonctionnement V est perturbée avec chaque cycle [14]. Chapitre 2 Les convertisseurs DC-DC et la commande MPPT 41 Conclusion Dans ce chapitre, on a exposé brièvement quelques topologies de base des convertisseurs continus-continus. Comme le convertisseur dévolteur, convertisseur survolteur et convertisseur dévolteur-survolteur. On a présenté aussi la commande MPPT des convertisseurs DC-DC pour rechercher le point où la puissance du générateur photovoltaïque est maximale, sous différentes conditions de fonctionnement. On a étudié la commande MPPT basées sur l’algorithme de perturbation et observation. Chapitre 3 l’onduleur et la commende MLI vectorielle Chapitre 3 l’onduleur et la commende MLI vectorielle 43 3-1 Introduction L’utilisation de convertisseurs statiques au sein des réseaux est de plus en plus répandue notamment pour connecter les sources de production décentralisées renouvelables. Dans ce cadre, les onduleurs triphasés MLI à injection de courants sinusoïdaux et en phase avec le réseau électrique sont des convertisseurs couramment employés. Dans la première partie de ce chapitre on étudiera les convertisseurs, leurs modélisations et ses principes de fonction .Dans la deuxième partie On présentera les stratégies de commande de l’onduleur précisément la MLI vectorielle. Chapitre 3 l’onduleur et la commende MLI vectorielle 44 3-2 Les convertisseurs DC-AC (Onduleurs) 3-2-1 Définition L’onduleur est un convertisseur continu/ alternatif ,il permet d'obtenir une tension alternative (éventuellement réglable en fréquence et en amplitude) à partir d'une source de tension continue. Son symbole est illustré dans la Figure 3.1. Figure 3.1 Symbole de convertisseur Continu - Alternative (DC – AC) Les onduleurs sont basés sur une structure en pont en H, constituée le plus souvent d'interrupteurs électroniques tels que les IGBT, transistors de puissance outhyristors. Par un jeu de commutations commandées de manière appropriée (généralement une modulation de largeur d'impulsion), on module la source afin d'obtenir un signal alternatif de fréquence désirée [20]. 3-2-2Principe de fonctionnement Le principe de fonctionnement d'un onduleur est basé sur l'électronique de commutation, on génère une onde de tension alternative à partir d'une tension continue comme le montre la Figure 3.2, on peut dire qu'il existe deux moyens pour réaliser cette conversion. Figure 3.2 Schéma de principe de la conversion Continu - Alternative (DC – AC) https://fr.wikipedia.org/wiki/Pont_en_H https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor_bipolaire_%C3%A0_grille_isol%C3%A9e https://fr.wikipedia.org/wiki/Transistor https://fr.wikipedia.org/wiki/Thyristor https://fr.wikipedia.org/wiki/Modulation_de_largeur_d%27impulsion Chapitre 3 l’onduleur et la commende MLI vectorielle 45 L'utilisation directe d'une paire d'interrupteurs de base qui consiste à régler la fréquence et la durée des interconnexions de la source avec la sortie. il est donc plutôt temporel et débouche sur les techniques de modulation de largeur d'impulsion Contrôler l'amplitude soit de façon continue en créant une source réglable (ce qui suppose l' existence d'un autre étage de conversion), soit de façon discrète en disposant d'un nombre suffisant de sources[20] . Quand S1 - S2 sont fermés (On) et S3–S4 sont ouverts (Off) pour 0