اط ا ا ا ر ا ا République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique -------------------------------------------------00-------------------------------------------------- Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O Faculté de Génie Electrique Département d’Electrotechnique Option : Commande Industrielle des Entraînements Electriques (C.I.E.E) MEMOIRE DE MAGISTER Présenté par Mr : AIS Belkacem TOPOLOGIE DES ONDULEURS SOLAIRE: ETUDE ET SYNTESE Soutenu publiquement le 02/10/2012 devant le jury composé de : Dr. MAZARI BENYOUNES (Pr, USTO) PRESIDENT Dr. BOURAHLA MOHAMED (Pr, USTO) RAPPORTEUR Dr. BENDIABDALLAH AZZEDINE (Pr, USTO) EXAMINATEUR Dr. BACHIR GHALEM (MC-A, USTO) EXAMINATEUR Dr. BENDJEBBAR MOKHTAR (MC-A, USTO) EXAMINATEUR Année universitaire 2011/2012 : راض و ل ھذه ا ط اطب ن أ ل، /ط.أ ت ا ط% & رو,ل ا ا ط ' ا وث. &*ر+ أزداد أ&*ر . زل. و دون0 .وع% وب &ل.دد زا و ق وھذا وف، لا و تا ر ا زاو . 9 ج ا ط%ل و إ و، درا $ % &ن ا ا و تا ' ا ردد ن$ ر2& ج ا ر ا%ظ م دوره ھو إ% ' أي ; / إ1ن و،ددة ا و تا و ا ل طو ر ا ط ' ا ت ا# ا ط زا دا ' ط و و اھ دف ن ھذا ا ل ھو درا2 ا ھو ا إذن ا و ت ط ' د ا ' و دھ ا ط ر ت2 ا ف ط و و: ذ&ر% ' ھذا ا ل . ا & وواط ت : ت ا وھر ذ،م،م و ، NPC ا و ت، BOOST، ا ط ر ت، ا ا واح ا- Abstract In front of the development of renewable energies, and with regard to solar energy, the request of the conversion of this energy, for domestic applications in isolated sites, increases more and more. Research in electronics of power is interested more and more in topology of the solar inverters with and without insulation. The goal of this work is to make a study and a synthesis of the solar inverters; this will release the advantages and the disadvantages of the ones and others. Thus the solar inverter is the centre piece of any photovoltaic system its role is to produce an alternating voltage starting from a tension continues to generate by batteries gone up in series. In this work one goes quoted various topologies of the solar inverters their study and their synthesis and delivering powers going of 1 to a few KW Keywords Solar panels, batteries module, BOOST Converter, NPC converters, Load: RLE. Résumé : Devant le développement des énergies renouvelables, et en ce qui concerne l’énergie solaire, la demande de la conversion de cette énergie, pour des applications domestiques dans des sites isolés, augmente de plus en plus. La recherche en électronique de puissance s’intéresse de plus en plus à la topologie des onduleurs solaires avec et sans isolation. Le but de ce travail est de faire une étude et une synthèse des onduleurs solaires, ceci dégagera les avantages et les inconvénients des uns et des autres. Donc l'onduleur solaire est la pièce maîtresse de tout système photovoltaïque son rôle est de produire une tension alternative à partir d'une tension continue générer par des batteries montée en série. Dans ce travail on va citée les différentes topologies des onduleurs solaires leurs étude et leurs synthèse et délivrant des puissances allant de 1 à quelques KW Mots clés Panneaux solaire, batteries, hacheur BOOST, onduleurs NPC, charge RLE. Remerciements Avant tout, je remercie ALLAH, le tout puissant, de m’avoir donné le courage et la volonté pour accomplir ce travail de recherche. Je souhaite témoigner ma reconnaissance envers les personnes qui m’ont accompagné durant cette période, et qui pour certaines sont activement intervenues dans le déroulement de ces travaux de mémoire. Le travail présenté dans ce mémoire a été effectué au Laboratoire d’Electrotechnique de Puissance au sein de l’équipe « Electronique de Puissance » à l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O, sous la direction du professeur BOURAHLA MOHAMED. Je tiens à remercier monsieur BOURAHLA MOHAMED, professeur à l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O, et responsable de l’équipe de recherche au Laboratoire d’Electrotechnique de Puissance, pour la confiance qu’il m’a accordé et pour son accueil au sein de l’équipe. Ses conseils et ses critiques ont grandement contribué à la réalisation de ce travail. Mes vifs remerciements sont adressés à monsieur AEK Chibani, collègue de promotion, pour son aide précieuse, ses qualités scientifiques et humaines. Sa maîtrise de l’instrumentation m’a permis d’acquérir des savoir-faire dans ce domaine. Je souhaite lui exprimer toute ma gratitude. Il m’est agréable de pouvoir exprimer ma reconnaissance envers, Monsieur Belarbi mustafa, enseignant à l’Université des Sciences et de la Technologie de tiaret Ibn khaldoune, chercheur au laboratoire Systèmes photovoltaique à l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O, J’adresse mes sincères remerciements à Monsieur MAZARI BENYOUNES, professeur à l’Université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF U.S.T.O, pour l’honneur qui nous a fait en acceptant d’être président du jury. R J'adresse tous mes remerciements aux membres du jury, M : BENDIABDALLAH AZZEDINE, professeur à l’université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed R BOUDIAF - U.S.T.O, M : BACHIR GHALEM professeur à l’université des Sciences et de la Technologie d’Oran R Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O, M : BENDJEBBAR MOKHTAR, professeur à l’université des Sciences et de la Technologie d’Oran Mohamed BOUDIAF - U.S.T.O, pour l’honneur qu’ils nous ont fait en acceptant d’examiner ce travail. J’adresse également mes sincères remerciements à tous les membres de Laboratoire d’Electrotechnique de Puissance, pour l’aide et les conseils qu’ils m’ont fourni durant la réalisation de cette mémoire. A tous les membres de ma famille, je dis merci. AIS Belkacem SOMMAIRE Chapitre I : Modélisation des systèmes photovoltaïque I-1 Introduction…………………………...…………………………...……………… 3 I-2 Modèle de cellule…………………………...…………………………...………… 4 I-3 Modélisation du Module (panneau) photovoltaïque…………………………...…… 5 I-4 Influence de la température sur le rendement des cellules………………………….. 7 I-5 Facteurs limitatifs du rendement…………………………...……………………… 7 -Influence de l’éclairement ………………………………… 7 -Influence de la température ……………………………… 10 I-6 Connexion directe source-charge ………………………………………………… 12 I-7 Définition de l’étage d’adaptation entre une source et une charge ………………… 13 I-8 Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT) ……………....... 14 I-8.1 Introduction ………………………………………………………… 14 I-8.2 Méthodes de recherche du point de puissance maximale …………… 15 I-8.2.a. La méthode dite « Perturbation et Observation » ou P&O… I-9 17 I-8.3 Principe du contrôle MPPT ………………………………………… 19 Conclusion ………………………………………………………………………… 20 Chapitre II : Stockage de l’énergie électrique II-1 Généralités ………………………………………………………………………... 21 II-2 Le stockage de l’énergie électrique photovoltaïque ………………………………… 21 II-2.1 Les systèmes raccordés au réseau …………………………………… 21 II-2.1.a Le réseau interconnecté …………………………………… 21 II-2.1.b Les mini-réseaux ou réseaux isolés ……………………… 22 II-2.2 Les systèmes autonomes, isolés …………………………………… II-3 Les technologies de stockage d’énergie électrique ……………………………….. 22 22 II-3.1 Système de stockage ……………………………………………… 23 II-3.2 Types d’accumulateurs …………………………………………… 24 II-3.2.1 Composition d'une batterie solaire plomb- Acide ……… 25 II-4 Modèle mathématique des batteries au plomb ……………………………………. 26 II-5 Conclusion ……………………………………………………………………….. 28 Chapitre III : Topologies des convertisseurs BOOST III-1 Introduction ………………………………………………………………………. 29 III-2 Les Convertisseurs DC-DC (Les Hacheurs)…….………………………………. III-3 Topologies des convertisseurs BOOST…......................................................... 29 III-3.1 Série Principale………………………………………………….. 29 30 a-Boost élémentaire……………………………………………….… 30 b-Boost élémentaire à deux étages……………………….………… 34 III-3.2 - les séries additionnelles…………………………………… 36 a- Boost élémentaire (Double Circuit)……………………………… b- Boost additionnel (Double Circuit) à deux étages………………… 36 III-3.3 - Boost en pont monophasé mixte………………………………… 40 38 III-4 Cas général………………………………………………………………………... 41 III-5 Simulations et résultats…………………………………………………………….. 42 III-6 Etude comparative…………………………………………………………………. 47 III-7 Filtre passe–bas……………………………………………………………………. 48 III-8 Conclusion …………………………………………………………………………. 48 Chapitre IV : Onduleurs NPC IV-1 Introduction ………………………………………………………………………. 49 IV-2 Aperçue sur les topologies des onduleurs multiniveaux …...……………………… 50 IV-2.1 Onduleur de tension a diode de bouclage ………………………… 51 IV-2.2 Onduleur de tension a condensateur flotteur……..……………. . 52 IV-2.3 Onduleur de tension en cascade ….…………….………………… 53 IV-3 Les onduleurs NPC (Neutral Point Clamped)………………...…………………… 54 IV-4 Onduleur NPC d’ordre superieur ……………….…………...…………………… 57 IV-4.1 Onduleur à trois niveaux de type NPC…………………………… 58 Structure…………………………………………………... 58 Principe de fonctionnement…………………………….. .. 59 IV-4.2 Onduleur a cinq niveaux de type NPC………………….. ............. 61 Structure………………………………………………….. 61 Principe de fonctionnement……………………………… 63 IV-4.3 Onduleur à sept niveaux de type NPC…………………………… 66 Structure………………………………………………….. 66 Principe de fonctionnement…………………………. ….. 66 IV-5 Les différentes techniques de modulation……………………………………..…... 69 IV-5.1 Modulation sinusoïdale classique …………………………..…….. 70 IV-5.2 Commande par la modulation a triangles multiples ……………… 70 IV-6 Simulation des onduleurs NPC multiniveaux…………………………………….. 71 IV-6.1 Simulation de l’onduleur NPC a trois niveaux…………………… 71 IV-6.2 Simulation de l’onduleur NPC a cinq niveaux…………………… 72 IV-6.3 Simulation de l’onduleur NPC a sept niveaux……………………. 74 IV-7 Conclusion……………………………………………………………………….... 76 Chapitre V : Simulation et évaluation V-1 V-2 Simulations envisagées ………………………………………………………..…… Simulation du fonctionnement de l’onduleur Neutral Point Clamped Half Bridge 77 78 (Conventional topology NPC demi pont) ………………………………………… V-3 Simulation du fonctionnement de l’onduleur Conergy Neutral Point Clamped Half 80 Bridge (NPC demi pont) ……………………………………………………...…. V-4 Simulation du fonctionnement de l’onduleur Active Neutral PointClamped Half 81 Bridge (NPC demi pont) …………………………………………………………. Conclusion générale ……………………………………………… ……………... 83 Bibliographie ……………………………………………........................................... 85 Annexe A ….................................................................................................................. 89 Annexe B ……………………………………………………………………………… 99 Nomenclature 1. Symboles Pc I (V) Vco Icc (Um ,Im) Rd F ISC La puissance crête: Puissance électrique maximum que peut fournir le module dans les conditions standard (25°C et un éclairement de 1000 W/m²). Courbe représentant le courant I débité par le module en fonction de la tension aux bornes de celui-ci. Tension à vide : Tension aux bornes du module en l’absence de tout courant, pour un éclairement " plein soleil ". Courant de court-circuit: Courant débité par un module en court-circuit pour un éclairement " plein soleil ". Point de fonctionnement optimum: Lorsque la puissance de crête est maximum en plein soleil, Pm = Um.Im Rendement maximal : Rapport de la puissance électrique optimale à la puissance de radiation incidente. Facteur de forme : Rapport entre la puissance optimale Pm et la puissance maximale que peut avoir la cellule : Vco.Icc. courant de court-circuit correspondant au point de fonctionnement du générateur PV VO C tension en circuit ouvert correspondant au point de fonctionnement du générateur PV CC Courant continu AC Courant alternatif I Le courant fourni par la cellule I SCr Le courant de court-circuit de référence. IP Le courant dérive par la résistance parallèle. ID Le courant traversant la diode. I0 Le courant de saturation inverse d’une diode. VT La tension thermique. q Charge d’électron (1.602*10-19 C) K Constante de Boltzmann (1.381*10-23 J/K) T Temperature effective de la cellule en kelvin n Facteur de non idéalité de la jonction comprise entre 1 et 5 dans la pratique. α Le coefficient de variation du courant en fonction de la température. Tref La température de référence, 298K (25°C). G L’irradiation solaire. GWth Gigawatts thermiques. GWe Gigawatts électriques. Mtep Megatonnes équivalent pétrole. Ah ou I=C/100 Capacité en Ampère heure : La capacité de stockage correspond à la quantité d’énergie qui peut être stockée dans une batterie. Rapports de chargement et déchargement : Le courant de charge ou décharge est égal au dixième ou au centième de la capacité. Pb Les batteries au plomb Cd-Ni Les batteries au cadmium-nickel. C la capacité du condensateur. Vc la tension du condensateur. EC La capacité électrochimique de la batterie. RbS La résistance interne de la batterie : résistance en bloc d'électrolyte et de plaque Rb1 La résistance interne de la batterie : représente la diffusion d'électrolyte. Vb La tension de batterie. τ Constante de temps Rbp La résistance parallèle de la batterie. Cbp La capacité électrochimique parallèle de la batterie. Pin Puissance d’entrée des convertisseurs Pin =Vin.Iin PO Puissance de sortie des convertisseurs PO =VO IO (VO ≠ Vin) η Rendement en conversion η = T T : période de commutation qui est égale à 1/ f K K :le rapport cyclique du commutateur (K € [0,1]). f Fréquence de commutation. R La charge du Boost D La diode formant le circuit Boost S Le transistor MOSFET formant le circuit Boost I=C/10 Li , Ci , i ,v L c C,R RL τ = Rb1 Cb1 . Po Vo Io = Pin Vin Iin Les composantes du convertisseur Boost Les variables dynamiques du convertisseur Boost Les composantes du filtre passe-bas Ve tension d’entrée du filtre Vs tension de sortie du filtre τ Constante de temps τ = RC dans un montage RC τ Constante de temps τ = L dans un montage RL R Les autres symboles utilisés sont définis dans le texte. 2. Abbreviations MPPT: Maximum Power Point Tracking. MPP : Maximum Power Point. PPM : Point de Puissance Maximale. PV : Photovoltaïque. MLI : Modulation Large Impulsion PWM : Pulse width modulation GPV : un générateur photovoltaïque P&O : Perturbateur et Observateur (NPC – Neutral point clamped) : Le convertisseur à point neutre fixé Les autres abréviations sont explicitées dans le texte. Introduction générale La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir. En effet, les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs, les pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien leur développement. De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir de sources fossiles. La consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu’une consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures. Par énergie renouvelable, on entend des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les énergies renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies renouvelables regroupent un certain nombre de filières technologiques selon la source d’énergie valorisée et l’énergie utile obtenue. Il existe de nombreux sites isolés dans le monde, alimentés par des systèmes autonomes de générateur d’électricité. Ces générateurs utilisent les sources renouvelables locales. On y trouve des panneaux photovoltaïques et des éoliennes. L’électricité provenant des sources renouvelables est intermittente, et dépendante des conditions climatiques. Ces générateurs renouvelables sont couplés généralement à un système de stockage assurant une disponibilité en continue d’énergie. Le générateur renouvelable sélectionné pour notre étude est un champ photovoltaïque (PV) avec un système de stockage, le stockage est assuré par des batteries. Ce système, appelé systèmes PV-Batteries. Le type de stockage généralement utilisé dans ce système est la batterie au plomb. La maturité dont cette technologie fait preuve et son faible coût en sont les raisons principales. L’utilisation de ces batteries à l’échelle saisonnière est inenvisageable. Elles ne peuvent rester longtemps inutilisées sans conséquences néfastes sur leur durée de vie. Leur fonctionnement journalier (décharge et recharge complètes sur quelques jours) permet d’installer une faible capacité de stockage. Mais l’état de charge maximal des batteries est atteint d’autant plus rapidement que cette capacité installée est faible. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 1 Afin de protéger les batteries contre une recharge excessive, on doit les déconnecter de l’installation. Il est alors impossible d’utiliser la totalité de la ressource renouvelable. Le dimensionnement de stockage optimal basé sur la partie de modélisation des composants constituant ce système et la charge de l’utilisation. Il existe différentes topologies de gestion pour les installations électriques. Néanmoins, toutes ces approches reposent sur un GPV raccordé au réseau par le biais d’onduleurs qui transfèrent et mettent en forme l’énergie solaire électrique. Les progrès effectués ces dernières années dans le développement des onduleurs dédiés aux photovoltaïques ont permis de faire évoluer grandement ces systèmes de gestion. Les onduleurs ne se limitent plus seulement à transformer la puissance continue DC générée par les panneaux solaires en puissance alternative sous forme d’une tension sinusoïdale de fréquence souhaitée (par ex. 230V/400V 50Hz) mais ils exploitent également la puissance délivrée par le GPV en le forçant à fonctionner à son point de puissance maximum. De plus, ils assurent une surveillance fiable du réseau pour protéger ce dernier contre les pannes et interrompre l’alimentation en cas de problèmes survenant soit du réseau soit de l’installation. Actuellement, il existe principalement trois architectures d’onduleurs donnant de bonnes solutions techniques : Onduleur de tension a condensateur flotteur, Les Onduleurs NPC clampé par les diodes (Neutral Point Clamped) et Les Onduleur de tension en cascade A cet effet nous s’intéressons sur les topologies des onduleurs solaires, c’est à dire la modélisation du GPV, des batteries, du régulateur, du Boost, des Onduleurs NPC multiniveaux. A cet effet, nous avons fait dans notre étude : Au premier chapitre, on fait la Modélisation des systèmes photovoltaïque Le second chapitre est très important, car il présente l’énergie électrique photovoltaique et son stockage dans les systèmes électriques Dans le troisième chapitre, on fait la Modélisation des topologies des convertisseurs Boost et leurs simulations. Le quatrième chapitre présente les différentes topologies des Onduleurs NPC et leurs commandes. Le cinquième chapitre est consacré à la validation des modèles de chaque composant constituant le système. Finalement, nous terminerons ce mémoire par une conclusion générale qui résume notre étude dans sa partie théorique et interprétation des résultats. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 2 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-1 Introduction : L’énergie solaire photovoltaïque provient de la conversion directe de l’énergie provenant des photons, compris dans le rayonnement solaire, en énergie électrique, par le biais de capteurs fabriqués avec des matériaux sensibles aux longueurs d’ondes du visible (Cellules Photovoltaïque PV). L’association de plusieurs cellules PV en série et /ou parallèle donne lieu à un générateur photovoltaïque (GPV). Ce GPV a une caractéristique statique courant-tension I(V) non linéaire et présentant un point de puissance maximale (PPM). Cette caractéristique dépend du niveau d’éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l’ensemble. Le point de fonctionnement du générateur PV peut donc varier entre les points extrêmes correspondant au courant de court-circuit I S C et la tension en circuit ouvert VO C La détermination du point de fonctionnement du GPV (Générateur Photovoltaïque) dépend directement de la charge à laquelle il est connecté. Ce point de fonctionnent est plus ou moins éloigné du PPM qui est caractérisé par le courant et la tension optimaux. [13] Dans ce chapitre, nous commencerons par un rappel sur le principe de l’effet photovoltaïque et nous détaillerons les principales caractéristiques de la source PV. Enfin, nous étudierons le fonctionnement optimal du générateur PV et plus particulièrement la recherche du point maximale de puissance MPPT (Maximum Power Point Tracking) ainsi nous modélisons la batterie. Généralement, un système photovoltaïque est constitué d’un générateur photovoltaïque, des filtres, convertisseur CC et AC, la charge enfin le réseau. Les systèmes photovoltaïque fonctionnent au fil du soleil, le stockage électronique est assuré par les batteries. figure (I-1) Conditionneur Générateur PV Filtre1 DC DC Réseau Filtre2 DC AC Convertisseur Régulateur Batterie Charge Fig (I. 1) : Structure générale d’un système PV couplé au réseau électrique. [5] Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 3 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-2 Modèle de cellule I IPh ID RS IP RP V Fig (I. 2) : Schéma équivalent de cellule PV La figure (I.2) illustre le schéma électrique équivalent d’une cellule PV réelle. Dans cette équation, on prend en compte le courant de court-circuit et les différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique. En statique, le comportement d’une cellule PV peut être décrit par l’équation suivante [13], [10]: I = I ph − I D − I P (1.1) Avec : I : Le courant fourni par la cellule I SC = I SCr ( G / 1000 ) Ou : I SCr le courant de court-circuit de référence. IP = V + I .R S : Le courant dérive par la résistance parallèle. RP V + I .R S I D = I 0 exp n .VT − 1 : Le courant traversant la diode. I 0 : Le courant de saturation inverse d’une diode. VT = KT : La tension thermique. q q : charge d’électron (1.602*10-19 C) K :constante de Boltzmann (1.381*10-23 J/K) T : temperature effective de la cellule en kelvin n : Facteur de non idéalité de la jonction comprise entre 1 et 5 dans la pratique. En utilisant les équations ci-dessus en peut en déduire l’expression du courant délivré par la cellule photovoltaïque qui est donné par l'équation (1.2) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 4 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-3 Modélisation du Module (panneau) photovoltaïque Nous avons choisi le modèle photovoltaïque BP SX 150. Chez BP Solaire, cette série fournit une puissance photovoltaïque rentable destinée à un usage général par exploitation directe de charges courant continue, ou de charges courant alternatif sur les systèmes munis d’onduleur. Le module est composé de 72 cellules solaires multi cristallines en silicone connectée en série pour produire une puissance maximale de 150 W. Les caractéristiques électriques de ce module photovoltaïque sont données dans le tableau suivant [13]: Puissance maximale (Pmax) 150 W Tension à Pmax (VmP) 34.5 V Courant à Pmax (ImP) 4.35 A Courant de court-circuit (ISC) 4.75 A Tension à circuit ouvert (VOC) 43.5 V Coefficient de température de ISC 0.065±0.015%/°C Coefficient de température de VOC -1.60±20 mV/°C Coefficient de température de la puissance NOCT -0.5±0.05%/°C 47±2°C Tableau I.1 : Caractéristiques électrique du module photovoltaïque BP SX 150. Plusieurs modèles mathématiques sont utilisés pour simuler le fonctionnement d’un générateur photovoltaïque. nous avons choisi un modèle simple nécessitant que les paramètres donnés par le fabriquant, la caractéristique I-V de ce modèle est illustrée ci-dessous [13],[1] : V + I .R S I = I PH − I 0 exp n .VT V + I .R S − 1 − RP (1.2) Où : ID , le courant de diode, est donné par l’équation : V + I .R S I D = I 0 exp n .VT − 1 (1.3) Le courant de saturation inverse d’une diode est donné par : I0 = ISC VO C exp n .VT − 1 (2.4) Si l’on suppose que la résistance parallèle est infinie (RP=∞) l’équation (1.2) devienne : Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 5 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque V + I RS I = I S C − I 0 exp n .VT Avec : − 1 (1.5) (I et V): Le courant fourni par la cellule et La tension à la borne de cellule. Calcul de la résistance série dans le point VOC dV + dI R S dI = 0 − I 0 n .VT V + I RS exp n .VT (1.6) La résistance série influe largement sur la pente de la courbe des caractéristique I-V au voisinage de VOC . Elle peut être calculée par la formule suivante : RS = − dV − dI n.VT V + I RS I 0 exp n.VT dV RS = − − dI VOC (1.7) n.VT VO C + I RS I 0 exp n.VT (1.8) Pour résoudre l’équation de caractéristique non linéaire, on utilise la méthode de Newton décrite par x n+ 1 = x n − Ou : f ( xn ) f / ( xn ) (1.9) f / ( x n ) : La dérivé de la fonction f ( x n ) x n : La présente itération x n+ 1 : L’itération suivante Ainsi, on récrit l’équation (1.5) sous la forme suivante : V + I RS f ( I ) = I S C − I − I 0 exp n .VT − 1 = 0 (1.10) En remplaçant dans l’équation (1.9), on calcule le courant (I) par les itérations [13], [1] : V + I n RS − 1 I S C − I n − I 0 exp n . V T = In − R V + I n RS − 1 − I 0 S exp n .VT n .VT (1.11) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 6 I n+ 1 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque Les équations précédentes ne sont valables que pour un mode de fonctionnement optimal. Pour généraliser notre calcul pour différents éclairements et températures, nous utilisons le modèle qui déplace la courbe de référence à de nouveaux emplacements. [ ( I S C ( T ) = I SCr ( Tref ) 1 + α T − Tref I SC = I SCr ( )] G ) 1000 T I 0 (T ) = I 0 (Tref ) T ref (1.12) (1.13) 3 n − q Eg exp n K 1 1 − T Tref (1.14) Ou : α : Le coefficient de variation du courant en fonction de la température. Tref : La température de référence, 298K (25°C). G : L’irradiation solaire. I-4 Influence de la température sur le rendement des cellules La base des cellules photovoltaïques est une jonction PN. Son rendement variera selon la température de la jonction. En effet, l’équation de Boltzmann donne : [3], [1] qV I S C = I 0 exp − OC KT (1.15) La figure (I.6) ci-dessous montre que la tension à vide d'une cellule solaire diminue avec l’augmentation de la température de la cellule. L’ordre de grandeur des pertes est de 2.3 mV / par degré Celsius / par cellule. Le courant de court-circuit, par contre, augmente légèrement avec la température de la cellule (environ 0.05 % par degré Celsius). I-5 Facteurs limitatifs du rendement Influence de l’éclairement L’augmentation d’ensoleillement se traduit par un déplacement de la caractéristique I=f (V) suivant l’axe des courants. L’croissement du courant de court-circuit est beaucoup plus important que celui de la tension à circuit ouvert étant donné que le courant de court-circuit est une fonction linéaire de l’éclairement, alors que celle de la tension à circuit ouvert est logarithmique [7]. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 7 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque La variation des caractéristiques est représentée sur les courbes de la figure (I-3). Pour différents niveaux d’irradiation, le changement du courant optimal est très important. Nous pouvons le voir aussi sur la figure (I-4). En examinant les caractéristiques réelles obtenues, nous pouvons conclure que des fortes variations du niveau d’irradiation provoquent des variations relativement importantes du courant optimal et de la puissance optimale. Alors que, les variations relatives de la tension optimale restent faibles [3]. L’influence du flux lumineux sur la caractéristique de la cellule solaire est représentée sur la figure (I.3), (I.4) et (I.5) à une température constante T=25°C. 5 4.5 1000W/m2 4 T=25° 3.5 Courant (A) 800W/m2 3 2.5 600W/m2 2 1.5 400W/m2 1 200W/m2 0.5 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tension (V) Fig (I. 3) : Effet de l’éclairement sur la caractéristique I = f (V) de la cellule solaire Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 8 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque 160 140 T=25° 120 2 1000W/m puisance (v) 100 2 800W/m 80 2 600W/m 60 2 400W/m 40 2 200W/m 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 courant (I) Fig (I. 4) : Effet de l’éclairement sur la caractéristique P = f ( I ) de la cellule solaire 160 2 1000W/m 140 T=25° 2 800W/m 120 2 600W/m puissance (W) 100 2 400W/m 80 2 200W/m 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tension (V) Fig (I. 5) : L’influence du flux sur la caractéristique P = f (V) de la cellule solaire. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 9 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque Influence de la température Si la température de la cellule augmente, le photo- courant Iph augmente également due principalement à la diminution du largueur de la bande interdite du matériau. Cette augmentation est de l’ordre de 0,1% par degré °C. Le courant directe de la jonction augmente aussi, mais beaucoup plus vite et entraînant une diminution de la tension de circuit ouvert de l’ordre de 2.3 mV par cellule. La diminution de la puissance fournie est estimée environ de 0,5% par degré pour un module [6], [12]. L’influence de la température sur la caractéristique de la cellule solaire est représentée sur la figure (I.6), (I.7) et (I.8) pour un éclairement fixe E =1000W On peut remarquer sur la figure (I.7) que l’augmentation de la température se traduit aussi par une diminution de la puissance maximale disponible (de l’ordre de 10-3 W/ °C par cm2 de la cellule). 6 5 E=1000W/m2 0C Courant (A) 4 15C 3 30C 45C 2 60C 1 75C 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tension (V) Fig (I. 6) : L’influence de la température sur la caractéristique I = f (V) de la cellule Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 10 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque 180 160 140 120 puissance (P) E=1000W/m2 0°C 100 15°C 80 30°C 60 45°C 40 60°C 20 75°C 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tension (V) Fig (I. 7) : L’influence de la température sur la caractéristique P = f (V) de la cellule. 180 0°C 160 15°C 140 30°C puisance (v) 120 45°C 100 60°C 80 75°C 60 E=1000W/m2 40 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 courant (I) Fig (I. 8) : L’influence de la température sur la caractéristique P = f (I) de la cellule solaire. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 11 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-6 Connexion directe source-charge Actuellement, nous trouvons encore beaucoup d’applications où une connexion directe entre un GPV et une charge est effectuée. Ce choix est principalement lié à la simplicité de l’opération et le très haut degré de fiabilité. Ceci est dû principalement à l’absence d’électronique, sans oublier le faible coût de la solution. + PV I R V Fig (I. 9): Connexion directe d’un GPV -charge Trois types de charges DC typiques existent : une charge purement résistive, une charge de type source de tension et une charge de type source de courant. Sur la figure (I. 10), nous avons représenté les caractéristiques I(V) et P(V) d’un générateur PV ainsi que les caractéristiques I(V) des trois types de charges. Identifions le point de fonctionnement où la puissance fournie par le générateur est maximale pour un courant optimal et une tension optimale. Ce point est nommé PPM. Ensuite, nous remarquerons le point d’intersection entre les caractéristiques I(V) du générateur et celles des trois types de charges [12] : 1. point A pour une charge en source de courant, 2. point B pour une charge résistive, 3. point C pour une charge de type source de tension, Pour ces trois points, la puissance fournie par le générateur est respectivement P1, P2 et P3 figure (I. 10), correspondant à des valeurs de puissance inférieures à la puissance maximale disponible. Donc une perte d’une partie de la puissance dérivable aux bornes du générateur PV implique à la longue des pertes de production énergétiques importantes. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 12 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque Courant (I) 300 Source de courant Charge résistif B A 250 200 Iopt PPM C 150 P2 P3 100 Source de tension P1 50 0 Vopt 0 10 20 30 40 50 tension (V) 60 Fig (I. 10): Points de fonctionnement d’un GPV en fonction de la charge I-7 Définition de l’étage d’adaptation entre une source et une charge Un générateur PV présente des caractéristiques I(V) non linéaires avec des PPM. La production de puissance varie fortement en fonction de l’éclairement, de la température, mais aussi du vieillissement global du système. Afin d’extraire à chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du générateur PV et de la transférer à la charge, la technique adoptée classiquement consiste à utiliser un étage d’adaptation entre le générateur PV et la charge comme décrit dans la figure (I. 11) ci-dessous [13]. Pour assurer le fonctionnement d’un générateur GPV à son point de puissance maximale PPM, des contrôleurs MPPT sont souvent utilisés. Ces contrôleurs sont destinés à minimiser l’erreur entre la puissance de fonctionnement et la puissance maximale de référence qui est variable en fonction des conditions climatiques. I1 V1 I2 + + Adaptateur D’impédance V2 Charge Fig (I. 11): Etage d’adaptation d’un PV -charge Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 13 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-8 Principe de la recherche du point de puissance maximale (MPPT) I-8.1 Introduction Un MPPT, ( Maximum Power Point Tracker), est une commande associée à un étage d’adaptation permettant de faire fonctionner un générateur électrique non linéaire de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance. Les systèmes MPPT sont généralement associés avec les générateurs photovoltaïques ou encore avec les générateurs éoliens. Un générateur photovoltaïque est un générateur, dont la caractéristique I = f(U) est fortement non linéaire. Les figures (I. 12) et (I. 13) représentent la trajectoire du point de puissance maximale produite par le générateur. [9] 5 4.5 1000W/m2 4 T=25° 3.5 Courant (A) 800W/m2 3 2.5 600W/m2 2 1.5 400W/m2 1 0.5 0 200W/m2 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Tension (V) Fig (I. 12) : La caractéristique I = f (V) et la trajectoire de PPM. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 14 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque 160 2 1000W/m 140 T=25° 2 800W/m 120 2 600W/m puissance (W) 100 2 400W/m 80 2 200W/m 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tension (V) Fig (I. 13): La caractéristique P = f (V) et la trajectoire de PPM. I-8.2 Méthodes de recherche du point de puissance maximale L’unité de régulation de l’onduleur assure un fonctionnement du générateur PV au point de fonctionnement optimal (point de puissance maximale ou MPP) pour garantir une production de puissance électrique maximale. Il existe environ une vingtaine de méthodes de recherche du point de puissance maximale d’un champ de modules, dont l’efficacité et la rapidité varient. Les deux méthodes les plus couramment rencontrées sont celles dites du Hill-Climbing et du P&O (Perturb and Observe). Ces deux méthodes [4] fonctionnent sur le même principe qui consiste à perturber le fonctionnement du système et à analyser ensuite comment le système réagit à cette perturbation : modification du rapport cyclique de hachage pour la méthode de Hill-Climbing, modification de la tension aux bornes du champ de modules photovoltaïques pour la méthode P&O. Le fait de modifier le rendement de conversion de l’onduleur perturbe le courant continu issu des modules et par conséquent la tension à leurs bornes et la puissance instantanée délivrée. Ces deux méthodes sont donc basées sur le contrôle de la puissance instantanée délivrée par le champ de modules PV en fonction de variations de la tension continue aux bornes du champ PV, figures (I. 14) et (I. 15). Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 15 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque Algorithms P&O et Hill-climbing Perturbation positive (U'=U+∆U) OUI Perturbation négative Non ' P >P (U'=U-∆U) OUI Non P' > P Fig (I. 14): principe de l'algorithme des méthodes de Hill-climbing et P&O 180 160 MPP P'<Pmpp 140 P''<Pmpp puissance (P) 120 100 80 60 40 Umpp 20 Umpp-deltaU 0 0 5 10 15 20 25 30 Umpp+deltaU 35 40 Umax 45 50 tension (V) Fig (I. 15): Illustration de l'algorithme des méthodes de Hill-climbing et P&O Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 16 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-8.2.a. La méthode dite « Perturbation et Observation » ou P&O La méthode P&O est sans doute la plus naturelle qui vient à l'esprit pour faire une recherche du point maximal de puissance PPM. En effet, dans le cas d'une application photovoltaïque, il s'agit concrètement d'un algorithme qui [9] : Pour une tension U ( k ) fixée va mesurer la puissance correspondante P(k) délivrée par le générateur Après un certain temps, l'algorithme impose une tension U ( k + 1 ) = U ( k ) + ∆U et mesure également la puissance correspondante P ( k + 1 ) , Si P ( k + 1 ) est supérieure à P ( k ) : l'algorithme cherche à imposer une tension plus grande U ( k + 2 ) = U ( k + 1 ) + ∆U . Sinon l'algorithme cherchera au contraire à abaisser la tension U ( k + 2 ) = U ( k + 1 ) − ∆U La trajectoire de la variation de ces points est représentée sur la figure (I. 16) 160 140 PPM puissance (W) 120 100 P2 P1 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 tension (V) Fig (I. 16): Puissance disponible en fonction de la tension aux bornes d’un panneau solaire De cette manière, le système adapte en permanence la tension aux bornes du générateur photovoltaïque afin de se rapprocher du point de puissance maximum, mais sans jamais l'atteindre précisément. D'autres algorithmes différents existent aussi et des solutions entièrement analogiques parfois assez simples à mettre en œuvre. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 17 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque Les étapes de la recherche du point optimal sont illustrées dans le diagramme de la figure (I. 17). [1] Début D’algorithme P et O Mesurer :V(k) , I(k) P(k)=V(k)*I(k) ∆P=P(k)-P(k-1) Non OUI ∆P > 0 OUI V (k)-V(k-1) > 0 V (k)-V(k-1) > 0 Non OUI Non Abaiser la Augmenter Abaiser la Augmenter tension la tension tension la tension V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) Fig (I. 17): Diagramme fonctionnel algorithme « perturbation et observation » Légende : V ( k ) : Tension en sortie du panneau à l’itération k I ( k ) : Intensité en sortie du panneau à l’itération k P ( k ) : Puissance en sortie du panneau à l’itération k Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 18 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque I-8.3 Principe du contrôle MPPT Le MPPT commande un étage d’adaptation qui permet de relier aisément un générateur photovoltaïque à une charge de type continue (DC) pour avoir un rendement de conversion très élevé. Pour utiliser le concept du transformateur DC avec rapport de transformation variable pour l’adaptation d’un générateur PV à une charge DC, il suffit de faire varier le rapport de transformation η (D) pour trouver le point d’adaptation optimal entre le générateur PV et la charge de manière à transférer le maximum de puissance du générateur. Etant donnée la caractéristique du générateur PV, cette variation doit suivre les ordres de commande délivrée par une commande de type MPPT. L’action de contrôle provenant de la commande MPPT va induire la variation de rapport de transformation qui va indirectement correspondre à une variation de rapport cyclique du convertisseur statique DC-DC [13], [2]. VS = n ( D ).Ve (1.16) Si on prend l’exemple du convertisseur DC-DC, la tension d’entrée du convertisseur : Ve = V S ( 1 − D ) / D (1.17) Ve : La tension d’entrée, V S : La tension de sortie, D : Le rapport cyclique du convertisseur, L’impédance vue par le PV est Re, Ou : Re = Rch ( 1 − D ) 2 / D 2 SI D augmente Re diminue, la tension diminue aussi, SI D diminue Re augmente, la tension augmente aussi, Le contrôle MPPT figure (I. 18) fait varier le rapport cyclique du convertisseur statique, qui influe sur le sens de la variation de tension de telle sorte que la puissance fournie par le générateur PV soit la puissance maximale disponible à ses bornes. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 19 Chap I Modélisation des systèmes photovoltaïque GPV + + Convertisseur Statique V1 V2 Charge I V Commande MPPT Fig (I. 18): Chaine élémentaire de conversion photovoltaique contrôlée par une MPPT I-9 Conclusion Nous avons présenté dans ce chapitre la modélisation des systèmes photovoltaïque. Tous les éléments ont été introduits afin de permettre une bonne compréhension du fonctionnement des systèmes PV. Afin de faciliter la conception, nous avons aussi mis en valeur le Principe du contrôle MPPT. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 20 Chap II Stockage de l’énergie électrique II-1 Généralités La grande partie de l’électricité produite dans le monde (82 %,) proviennent de la décomposition de combustibles fossiles (pétrole, charbon ou gaz naturel) ou de combustibles nucléaires. Bien que le gisement planétaire des combustibles fossiles soit très large, il est néanmoins limité. De plus, leur renouvellement n’est pas observable à l’échelle temporelle de l’homme. Enfin, l’impact environnemental de ces modes de production d’électricité est notable, comme la production de gaz à effet de serre tel que le gaz carbonique (CO2) ou de déchets radioactifs. L’utilisation de sources propres et renouvelables semble apporter une réponse convaincante mais partielle au problème énergétique actuel. L’hydroélectricité existe depuis près d’un siècle et constitue environ 16 % de la production mondiale d’électricité. Néanmoins, ce mode de production reste centralisé et localisé aux endroits où le potentiel présente un intérêt économique [21]. Le concept d’« électricité décentralisée » (production de l’électricité sur le lieu même de son utilisation), a encouragé le développement des moyens de production d’origine renouvelable, l’ajout d’un dispositif de stockage d’énergie est parfois nécessaire pour assurer la continuité de la fourniture électrique à l’usager, quand la ressource renouvelable ne peut le faire. II-2 Stockage de l’énergie électrique photovoltaïque Le mode d’intégration de l’énergie photovoltaïque dans les systèmes électriques dépend de la nature du système considéré, selon qu’il est raccordé au réseau ou isolé [21]. Dans chaque cas, le stockage de l’électricité produite à partir de la source renouvelable peut s’avérer nécessaire pour différentes raisons. II-2.1 Les systèmes raccordés au réseau On peut distinguer deux types de réseaux : le réseau interconnecté et les mini-réseaux ou réseaux isolés. Dans chacun des cas, le stockage d’électricité est envisageable. Les bénéfices apportés par la présence d’unités de stockage dépendront directement de leur mode d’utilisation et de leur implantation dans le réseau [22]. II-2.1.a Le réseau interconnecté L’implantation de champs PV dans le réseau interconnecté peut se faire sans besoin particulier de stockage. Le réseau assure la fourniture à l’usager en cas de déficit de la production photovoltaïque. L’excédent peut être réinjecté sur le réseau et racheté à des tarifs garantis et avantageux. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 21 Chap II Stockage de l’énergie électrique Cette intégration peut se faire au niveau des lignes de distribution (réseau basse tension), Cependant, un déploiement local très concentré peut engendrer des perturbations et générer des écarts de tension ou de fréquence du signal alternatif. Les générateurs photovoltaïques sont alors déconnectés permettant de compenser les déséquilibres occasionnés sur la ligne de distribution. II-2.1.b Les mini-réseaux ou réseaux isolés Les réseaux isolés sont composés d’unités de production d’électricité dont la puissance est comprise entre quelques centaines de kW et quelques dizaines de MW. Parmi les générateurs renouvelables installés, les turbines éoliennes sont très fréquemment rencontrées. Cependant, l’intégration de générateurs photovoltaïques s’est fortement répandue ces dernières années. II-2.2 Les systèmes autonomes, isolés Les systèmes autonomes sont des unités de production d’électricité généralement de petites tailles (< 100 kW) qui ne sont reliées à aucun réseau de distribution. Ils peuvent être composés d’un générateur diesel, d’un générateur photovoltaïque et d’un système de stockage d’électricité. Les puissances photovoltaïques installées dans ce type de systèmes électriques s’étendent de 50 Wcrête à 1 kWcrête pour une maison solaire, de 1 à quelques kWcrête pour les stations de pompage d’eau. Les systèmes hybrides alimentant une petite communauté dans le cas d’un village isolé, peuvent atteindre en terme de puissance quelques dizaines à quelques centaines de kWcrête. Les systèmes isolés utilisent en grande majorité les batteries au plomb comme stockage d’énergie. Cette technologie bénéficie en effet d’avantages, tels son faible coût et une maturité étayée par un retour d’expérience conséquent. Cette technologie est par ailleurs largement disponible dans le commerce. II-3 Les technologies de stockage de l’énergie électrique Il existe de nombreux moyens de stocker de l’électricité, qui passent tous par sa conversion en une autre forme d’énergie plus aisée à confiner, telle l’énergie chimique par exemple. Seuls le stockage électromagnétique et le stockage électrostatique stockent l’électricité sous forme de charges électriques, le stockage électrochimique est largement employé dans les applications stationnaires. Les batteries au plomb possèdent un retour d’expérience de plus de cinquante ans, notamment grâce aux applications automobiles. Son faible coût et son excellent taux de recyclabilité en font un acteur incontournable du stockage dans les systèmes électriques. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 22 Chap II Stockage de l’énergie électrique II-3.1 Système de stockage Dans une installation PV, le stockage correspond à la conservation de l’énergie produite par le générateur PV, en attente pour une utilisation ultérieure. La gestion de l’énergie solaire nécessite d’envisager des stockages suivant les conductions météorologiques et qui vont répondre à deux fonction principales [23] : • Fournir à l’installation de l’électricité lorsque le générateur PV n’en produit pas. • Fournir à l’installation des puissances importantes que celles fournies par le générateur PV. Les Caractéristiques principales d'une batterie sont [18] : Capacité en Ampère heure : La capacité de stockage correspond à la quantité d’énergie qui peut être stockée dans une batterie et restituée par celle-ci, les Ampères heure d'une batterie sont simplement le nombre d'Ampères qu'elle fournit multiplié par le nombre d'heures pendant lesquelles circule ce courant. Elle s’exprime en ampère heure (Ah) Une batterie de 200 Ah peut fournir 200 A pendant une heure, ou 50 A pendant 4 heures, ou 4 A pendant 50 heures. On a ici le choix entre adopter une batterie de la capacité de stockage voulue, ou monter plusieurs circuits de batterie plus petite en parallèle. Il faudra alors s’assurer que chaque circuit de batterie a bien la même tension d’entrée-sortie que les autres. Il existe des facteurs qui peuvent faire varier la capacité d'une batterie tels que : [23] Rapports de chargement et déchargement : La capacité de la batterie est par ailleurs variable suivant la manière dont elle a été chargée et déchargée, c’est à dire selon l’intensité du courant de charge ou de décharge. Plus une batterie est chargée (ou déchargée) avec un faible courant, plus sa capacité est importante. On parle de C10 ou de C100 suivant que le courant de charge ou décharge est égal au dixième ou au centième de la capacité (I=C/10 ou I=C/100). Si la batterie est déchargée à un rythme plus lent, sa capacité augmentera légèrement. Si le rythme est plus rapide, la capacité sera réduite. Température : Le comportement d'une batterie est spécifié à une température de 27 degrés. Des températures plus faibles réduisent leur capacité significativement. Des températures plus hautes produisent une légère augmentation de leur capacité. [23] Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 23 Chap II Stockage de l’énergie électrique La durée de vie : Un accumulateur peut être chargé puis déchargé complètement un certain nombre de fois avant que ces caractéristiques ne se détériorent. C’est ce que l’on appelle un cyclage. Une batterie déchargée de 10% chaque jour (avant d’être rechargée), aura une durée de vie beaucoup plus grande qu’une batterie déchargée quotidiennement de 30%. Cette aptitude au cyclage dépend également du type de batterie [25]. Profondeur de décharge : La profondeur de décharge est le pourcentage de la capacité totale de la batterie qui est utilisé pendant un cycle de charge/décharge. Les batteries de "cycle peu profond" sont conçues pour des décharges de 10 à 25% de leur capacité totale dans chaque cycle. Les batteries de "cycle profond" fabriquées pour les applications PV sont conçues pour des décharges jusqu'à 80% de leur capacité, sans les endommager. La tension d’utilisation : C’est la tension à laquelle l’énergie stockée est restituée normalement à la charge. La tension nominale d’une batterie dépend du nombre d’accumulateurs placés en série. Un accumulateur du type de ceux qui sont utilisés en photovoltaïque possède entre ses bornes une tension nominale de 2V. Pour les systèmes solaires, les tensions d’utilisation les plus courantes sont 12V, 24V et 48V. Le rendement : C’est le rapport entre l’énergie électrique restituée par l’accumulateur et l’énergie fournie à l’accumulateur. Le taux d’autodécharge : L’autodécharge est la perte de capacité en laissant l’accumulateur au repos (sans charge) pendant un temps donné. Une batterie inutilisée se décharge d’elle-même. Ceci est dû à des phénomènes électrochimiques. Les valeurs courantes d’autodécharge sont de l’ordre de 1% à 10% de la capacité par mois. II-3.2 Types d’accumulateurs Il existe plusieurs types de stockage dans le système PV, le seul stockage d’énergie électrique possible est le stockage électrochimique, Il est globalement possible de séparer les batteries en 2 types [24] : Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 24 Chap II Stockage de l’énergie électrique Les batteries au cadmium-nickel (Cd-Ni). Les batteries nickel-cadmium se décharge à (100%), elles sont plus chères, sont utilisées dans les applications ou la fiabilité est vitale. Leur prix est par contre beaucoup plus élevé que pour les batteries au plomb [20]. Les batteries au plomb (Pb). La batterie au plomb acide (pb) est la forme de stockage de l’énergie électrique la plus courante, en raison de son coût qui est relativement faible et d’une large disponibilité, elle ne doit jamais être déchargée à plus de 50-80 % selon leur type [20]. II-3.2.1 Composition d'une batterie solaire plomb- Acide Ces batteries sont composées de plusieurs plaques de plomb dans une solution d'acide sulfurique. La plaque consiste en une grille d'alliage de Plomb avec une pâte d'oxyde de plomb marquetée sur la grille. La solution acide sulfurique et l’eau est appelée électrolyte. [19] Fig (II. 2) : Construction d'une batterie monobloc [19] 1 : Grille. 2 : Séparateur. 3 : Plaque positive. 4 : Plaque négative. 5 : Barrette. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 6 : Faisceau négatif. 7 : Élément complet 9 : Rampe de bouchons. 10 : Borne. 11 : Bac. 25 Chap II Stockage de l’énergie électrique II-4 Modèle mathématique des batteries au plomb Dans la littérature, des auteurs [5], [8] ont utilisé le modèle représenté sur la figure (II. 3). Le modèle décrit le comportement primaire d'une batterie correctement, mais n’explique pas les propriétés lentement changeantes d'une batterie telles que l'augmentation et la diminution de la tension de fonctionnement provoquée par le processus de la charge et de la décharge. Cb1 Rbs Ib Rb1 Vb Voc Rbp Cbp Fig (II. 3): Modèle équivalent de la batterie. Ce modèle inclut les composants équivalents pour toutes les caractéristiques de fonctionnement principales d'une batterie plomb-acide, La capacité électrochimique de la batterie est représentée par le condensateur Cbp et sa valeur est donnée par l'expression générale de l'énergie : EC = 1 C VC2 2 (2.1) Avec : C la capacité et Vc la tension du condensateur. A la différence d'un condensateur, la tension d'une batterie ne sera pas égale à zéro à son plus bas état de charge. C'est équivalent à un condensateur ayant un niveau minimum de charge égal à l'énergie EC min. La capacité entièrement chargée de la batterie est représentée par un niveau maximum de charge EC max. Ceci est indiqué par l'équation suivante [8]: Eb = EC , max − EC , min = 1 1 1 2 2 2 2 C Vmax − C Vmin = Cb p (Vmax − Vmin ) 2 2 2 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (2.2) 26 Chap II Stockage de l’énergie électrique L'énergie Eb est donnée par le constructeur de la batterie directement en kilowatt par heure (kWh). Les tensions Vmax et Vmin sont la tension maximale et la tension minimale de la batterie en circuit ouvert respectivement. D’après l'équation (2.2) on a : Cb p = 2 Eb 2 V − Vmin (2.3) 2 max La résistance interne de la batterie est représentée par les deux résistances RbS et Rb1 en série. La résistance en bloc d'électrolyte et de plaque est représentée par la résistance RbS tandis que la résistance Rb1 représente la diffusion d'électrolyte. Ceci représente la tension du circuit ouvert de la batterie dés qu'une charge sera reliée. De même on peut observer un saut soudain de tension avec l'application d'un courant de remplissage En utilisant la notation indiquée sur la figure (II. 3), on peut exprimer la tension de batterie Vb en fonction de la tension de batterie en circuit ouvert et les autres composants Rb1 , RbS et Cb1 avec la constante de temps −t Vb = VO C + Rb 1 1 − e τ τ = Rb1 Cb1 . i + R i bS b b (2.4) Une autre caractéristique très importante d'une batterie est la décharge spontanée, représentée par la résistance Rbp parallèle avec le condensateur principal Cbp .Elle est provoquée par électrolyse de l'eau aux tensions élevées et par la fuite lente à travers les bornes de batterie aux basses tensions [23]. Le circuit sur la figure (II. 3) décrit les caractéristiques d'une batterie plomb-acide d’une manière complète mais pourtant très simplifiée: Ce circuit exprime l'impédance équivalente d'entrée d'une batterie plomb-acide par : Z ( s ) = Rb s + ( Rb1 // Cb1 ) + ( Rb p // Cb p ) = Rb S + Rb1 Rb1.Cb1 s + 1 + Rb p Rb p .Cbp s + 1 (2.5) L'utilisation dans le modèle mathématique du système transforme l'équation (2.5) en une limite simple de la forme suivante : Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 27 Chap II Z (s) = Stockage de l’énergie électrique a2 S 2 + a1 S 1 + a0 b2 S 2 + b1 S + b0 (2.6) Les coefficients a i et b j sont employés pour représenter les différents composants: a 2 = Rb S .Rb 1 . Rb p .C b 1 .C bp a 1 = Rb S .Rb 1 .C b 1 + Rb S .Rb p .C bp + Rb 1 .Rb p .C bp + Rb p .Rb 1 .C b 1 a 0 = Rb S + Rb 1 + Rb p b2 = Rb 1 .Rb p .C b 1 .C bp (2.7) b1 = Rb 1 .C b 1 + Rb p .C bp b0 = 1 II-5 Conclusion Pour les systèmes autonomes utilisant une source renouvelable comme seul apport d’énergie, la présence du stockage est indispensable pour pallier l’intermittence de la production d’électricité. Il existe une grande diversité de moyens de stockage d’énergie, chacun étant adapté à une application donnée, le choix de la technologie employée se porte généralement sur les batteries au plomb qui répondent bien à la problématique du stockage courte durée dans les applications stationnaires isolées C’est d’ailleurs la technologie la plus utilisée aujourd’hui pour ce type d’applications. Cependant, cette option n’est pas totalement satisfaisante en raison de certaines contraintes liées à leur fonctionnement. Leur hybridation avec un stockage longue durée peut alors constituer une solution alternative, on peut aussi considérer leur remplacement, à moyen terme, par des technologies plus innovantes telles que les batteries au lithium ou le stockage d’énergie à base d’hydrogène. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 28 Chap III Les convertisseurs de puissances III-1 Introduction L’utilisation des convertisseurs DC-DC et DC-AC permettent le contrôle de la puissance électrique dans les circuits fonctionnant en courant continu et courant alternatif avec une très grande souplesse et un rendement élevé, nous allons essayer d’illustrer les détails des circuits de ces convertisseurs ainsi que les modèles mathématiques qui leurs correspondent. Dans ce chapitre nous allons voir les topologies des Boost qui sont des convertisseurs du type continu-continu, dont le rôle est de transformer une puissance d’entrée Pin =Vin*Iin en une puissance de sortie Po =Vo* Io avec (Vo ≠ Vin) et un rendement en conversion η = Po Vo * Io très grand (proche de 100%). = Pin Vin * Iin III-2 Les Convertisseurs Boost Le convertisseur Boost est connu par le nom d’élévateur de tension, les circuits des convertisseurs BOOST se composent de condensateurs, d’inductances 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. Le commutateur est réalisé avec un dispositif semi-conducteur, habituellement un transistor MOSFET ou un IGBT. Pendant le fonctionnement du boost, le transistor sera commuté à une fréquence constante f avec un temps de fermeture égal à (K.T) et un temps d’ouverture égal ((1-K).T) où : T est la période de commutation qui est égale à 1/ f K le rapport cyclique du commutateur (K € [0,1]) III-3 Topologies des convertisseurs Boost Il existe plusieurs topologies des BOOST [14] : Série principale - chaque circuit de la série principale a un commutateur S, n inductances, n condensateurs, et (2n - 1) diodes. Série additionnelle - chaque circuit de la série additionnelle a un commutateur S, n inductances, (n + 2) condensateurs, et (2 n + 1) diodes. Double série - chaque circuit de la double série a un commutateur S, n inductances, 3 n condensateurs, et (3 n - 1) diodes. Série triple - chaque circuit de la série triple a un commutateur S, n inductances, 5 n condensateurs, et (5 n - 1) diodes. Autre topologie - Boost en pont monophasé mixte Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 29 Chap III Les convertisseurs de puissances III-3.1 Série Principale III-3.1.a-Boost élémentaire Le schéma de la figure (III.1) représente le circuit électrique et les circuits équivalents du convertisseur Boost. Au premier temps K T , le transistor S est fermé, le courant I L1 dans l’inductance croit progressivement avec une tension Vin, et au fur et a mesure elle emmagasine de l’énergie, jusqu'à la fin de la première période. Ensuite au second temps (1 − K )T , le transistor S s’ouvre et l’inductance L1 s’opposant à la diminution de courant I L1 avec une tension -(VO - Vin) et génère une tension qui s’ajoute à la tension de source, qui s’applique sur la charge R à travers la diode D1 . [15] Modèle mathématique équivalent Pour extraire le modèle mathématique du convertisseur, il faut l’étudier dans les deux phases de fonctionnement (S fermé, et S ouvert), ensuite donner son modèle approximé, qui englobe les différentes grandeurs moyennes d’entrée et de sortie du convertisseur. Les variables dynamiques du circuit sont Les équations qui lient les dérivées iL1 et vC1 associées avec les composants L1 et C1 . diL1 dv et in , aux variables d’entrée et de sortie ainsi que les dt dt composantes du convertisseur et les variables dynamiques iL1 ; vC1 sont de la forme [11] : dvin = f (iL1; iin ; vin ; L1 ; C1 ) dt (3.1) diL1 = g (iL1; iin ; vin ; L1; C1 ) dt (3.2) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 30 Chap III Les convertisseurs de puissances Les grandeurs temporelles sont représentées par des lettres minuscules alors que les grandeurs moyennes sont représentées par des majuscules, en appliquant les lois de Kirchhoff sur les deux circuits des figures ((III.1.b) et (III.1.c)), on obtient les systèmes d’équations suivantes : Pour la première période : figure (III.1.b) dv0 iC1 = C1 dt = −i0 di vL1 = L1 L1 = vin dt Pour la deuxième période (3.3) : figure (III.1.c) dv0 iC1 = C1 dt = iL1 − i0 di vL1 = L1 L1 = vin − v0 dt (3.4) Modèle approximé du convertisseur Boost Les systèmes d’équations de base (3.3), (3.4) représentent le convertisseur Boost pour une période K T et (1 − K )T respectivement. Le convertisseur oscillant entre ces deux états avec une Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 31 Chap III Les convertisseurs de puissances fréquence élevée, nous devons trouver une représentation dynamique approximée valable pour les deux intervalles de temps. Pour cela nous considérons que la variation des variables dynamiques iC ; vC est de forme linéaire, en d’autres termes nous pouvons faire une approche ( d’exponentielle par un segment eε ≈ 1 + ε ) Si ε 〈〈1 et ainsi la dérivée de ces grandeurs sera constante, Cette approche nous permet de décomposer l’expression de la valeur moyenne de la dérivée de la variable dynamique x sur les deux laps de temps: K T ; (1 − K )T dx dx dx (1 − K )T T= KT + dt dt( KT ) dt((1−K )T ) Où < (3.5) dx > est la valeur moyenne de la dérivée de x sur une période . dt Cette relation périodes K T ; périodes K T ; est valide si dx dx et dt( KT ) dt((1− K )T ) sont constants sur les (1 − K )T respectivement, en d’autres termes cette approximation est valable si les (1 − K )T sont très faibles devant la constante de temps du circuit. Dans ce cas la forme exponentielle du courant qui parcourt la self et la tension aux bornes de la capacité est de forme linéaire comme le montre la figure (III.2).[11] En appliquant la relation (3.5) sur les systèmes d’équations (3.3) et (3.4), on obtient les équations qui régissent le système sur une période entière : dvin C1 dt T = − KTi0 + (1 − K )T (iL1 − i0 ) di L1 L1 T = KTvin + (1 − K )T (vin − v0 ) dt Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.6) 32 Chap III Les convertisseurs de puissances En arrangeant les termes des équations précédentes, (pour qu’on puisse interconnecter le Boost avec les autres blocs de simulation), on obtient la modélisation dynamique du convertisseur Boost : dv0 i0 = (1 − K )iL1 − C1 dt di vin = (1 − K )v0 + L1 L1 dt (3.7 ) Les ondulations des courants et des tensions Pour le dimensionnement des différents composants du circuit afin de diminuer les ondulations des courants et des tensions sans faire un surdimensionnement ce qui accroîtrait le poids et le prix des circuits, un calcul de ces composants en fonction des ondulations voulues est nécessaire. Cette remarque est très importante pour le dimensionnement de l’inductance L1 afin de respecter le courant admissible par le transistor MOSFET S, où dans le cas pratique les ondulations du courant I L1 sont plus importantes par rapport aux autres ondulations. En appliquant la relation vL1 = L1 diL1 , et par l’approximation des segments d’exponentielles dt par des droites, la pente du courant I L1 et la tension VC1 pendant la première période de fonctionnement est donnée par : diL1 vL1 vin dt ≈ L = L 1 1 dv i i − C 1 ≈ C1 = 0 dt C1 C1 (3.8) Les valeurs crête à crête des courants et des tensions sont : vin I incc = 2∆I L1 = L KT 1 − i0 Vocc = 2∆V0 = KT C1 (3.9) Les valeurs des composants à choisir pour des ondulations données sont : vin L1 = 2∆I KT L1 − i0 C1 == KT 2∆V0 ∆I L1 = vin V −V KT = 0 in (1 − K )T L1 L1 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.10) (3.11) 33 Chap III Les convertisseurs de puissances V0 = (3.12) 1 V (1 − K ) in Le gain en tension est : G= (3.13) V0 1 = Vin (1 − K ) Le courant moyen de l'inductance est : I L1 = (1 − K ) (3.14) V0 Vin Par conséquent, le rapport de variation du courant iL1 de l’inductance L1 est : ξ1 = ∆iL1 2 = I L1 (3.15) KTVin KR = (1 − K )2V0 L1 R 2 fL1 Habituellement ξ1 est petit (inférieur beaucoup a l'unité). Cela signifie que le taux d’harmonique de distorsion (THD) est inférieur à 1% L’expression générale de l'énergie : Q= 1 C1V02 2 L'ondulation de la tension vO est : ∆v0 = ∆Q I 0 (1 − K )T (1 − K )V0 = = C1 C1 fC1R Par conséquent, le rapport de variation de la tension vO est : ε= ∆v0 2 = (1 − K ) V0 2 fRC1 (3.16) III-3.1.b-Boost élémentaire à deux étages Le Boost à deux étages est un dérivé du convertisseur Boost standard en ajoutant les éléments (L2 -D2 -D3-C2). La figure (III.3) montre le schéma de circuit et les circuits équivalents pendant la fermeture et l'ouverture du commutateur. La tension à travers le condensateur C1 croit est prend la valeur V1 Comme elle est illustré sur la figure (III.3). La tension V1 à travers le condensateur C1 est : V1 = 1 V (1 − K ) in Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 34 Chap III Les convertisseurs de puissances La tension au borne du condensateur C2 est chargée à VO .le courant traversant la bobine L2 augmente avec la tension V1 pendant la période kT et diminue avec la tension -(VO -V1) pendant la période (1 - k )T .Par conséquent, l'ondulation du courant iL2 de l'inductance L2 est : ∆iL 2 = V1 V −V KT = 0 1 (1 − K )T L2 L1 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.17 ) 35 Chap III Les convertisseurs de puissances 2 1 1 V0 = V1 = V (1 − K ) (1 − K ) in (3.18) Le gain en tension est : V 1 G = 0 = Vin (1 − K ) 2 (3.19) De façon analogue, V ∆iL1 = in KT L1 ∆iL 2 = V1 KT L2 I L1 = I0 (1 − K )2 I L2 = I0 (1 − K ) Par conséquent, le rapport de variation du courant iL1 de l’inducteur L1 est : ∆iL1 2 4 K (1 − K ) TVin K (1 − K ) R 2 ξ1 = = = I L1 2 I 0 L1 2 fL1 ∆iL 2 (3.20 ) Le rapport de variation du courant iL2 de l’inducteur L2 est : 2 = K (1 − K )TV1 = K (1 − K ) R ξ2 = I L2 2 I 0 L2 2 fL2 Et le rapport de variation de la tension vO est : ∆v0 2 = (1 − K ) ε= V0 2 fRC2 2 (3.21) (3.22) III-3.2 - les séries additionnelles III-3.2.a- Boost élémentaire (Double Circuit) Ce circuit est dérivé du convertisseur Boost standard. La figure (III.4) montre le schéma de circuit et les circuits équivalents pendant la fermeture et l'ouverture du commutateur. La tension à travers le condensateur C1 et C11 prend la valeur V1 et la tension à travers le condensateur C12 prend la valeur VO = 2V1. Comme décrit précédemment la tension V1 à travers le condensateur C1 est : V1 = 1 V (1 − K ) in Le courant iL1 traversant l’inductance L1 augmente avec la tension Vin pendant la période kT et diminue avec la tension - (V 1 -Vin) pendant la période (1 -k )T .Par conséquent, ∆iL1 = Vin V −V KT = 1 in (1 − K )T L1 L1 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.23) 36 Chap III Les convertisseurs de puissances La tension de sortie est : 2 V0 = 2V1 = Vin (1 − K ) (3.24) Le gain en tension est : Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 37 Chap III Les convertisseurs de puissances V0 2 = Vin 1 − K (3.25) 2 iin = I L1 = I0 1− K (3.26) G= et : Le rapport de variation du courant iL1 de l'inductance L1 est : ξ1 = ∆iL1 2 = K (1 − K )TVin = K (1 − K ) R I L1 4 I 0 L1 8 fL1 2 (3.27 ) L’ondulation de la tension vO est : ∆v0 = ∆Q I 0 (1 − K )T (1 − K )V0 = = C12 C12 fC12 R Par conséquent, le rapport de variation de la tension vO est : ε= ∆v0 2 = (1 − K ) V0 2 fRC12 (3.28) III-3.2.b- Boost additionnel (Double Circuit) à deux étages La figure (III.5) montre le schéma de circuit et circuits équivalents pendant la fermeture et l'ouverture du commutateur. La tension à travers le condensateur C1 prend la valeur V1 .Comme décrit précédemment la tension V1 à travers le condensateur C1 est : V1 = 1 V (1 − K ) in La tension à travers le condensateur C2 et le condensateur C11 est chargée à V2 et la tension à travers le condensateur C12 est chargée à VO. le courant traversant L'inductance L2 augmente avec la tension V1 pendant la période kT et diminue avec la tension -(V2 -V1) pendant la période (1 -k )T Par conséquent, l'ondulation du courant iL2 de l'inductance L2 est : ∆iL 2 = V1 V −V KT = 2 1 (1 − K )T L2 L2 2 1 1 V2 = V1 = Vin 1− K 1 − K Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.29) (3.30) 38 Chap III Les convertisseurs de puissances La tension de sortie est : 2 2 1 V0 = 2V2 = V1 = 2 Vin (1 − K ) (1 − K ) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse (3.31) 39 Chap III Les convertisseurs de puissances Le gain en tension est : V 1 G = 0 = 2 Vin 1− K 2 (3.32) De façon analogue, ∆iL1 = Vin KT L1 I L1 = 2I0 (1 − K )2 V1 KT L2 I L2 = 2I0 (1 − K ) ∆iL 2 = Par conséquent, le rapport de variation du courant iL1 de l'inductance L1 est : ξ1 = ∆iL1 2 = K (1 − K ) TVin = K (1 − K ) R I L1 4 I 0 L1 8 fL1 2 4 (3.33) Et le rapport de variation du courant iL2 de l'inductance L2 est : ξ2 = ∆iL 2 2 = K (1 − K ) TV1 = K (1 − K ) R I L2 4 I 0 L2 8 fL2 2 4 (3.34) L’ondulation de la tension vO est : ∆v0 = ∆Q I 0 (1 − K )T (1 − K )V0 = = C12 C12 fC12 R Par conséquent, le rapport de variation de la tension vO est : ε= ∆v0 2 = (1 − K ) 2 fRC12 V0 (3.35) III-3.3 - Boost en pont monophasé mixte Le schéma de la figure (III.7) représente le circuit électrique du convertisseur Boost en pont monophasé mixte. Au premier temps K T , le transistor S1 est fermé et S 2 est ouvert, le courant I L1 dans l’inductance L1 croit progressivement avec une tension Vin , et au fur et a mesure le condensateur C emmagasine de l’énergie, jusqu'à la fin de la première période. Ensuite au second temps (1 − K )T , le transistor S1 s’ouvre et S 2 se ferme et le courant I L 2 dans l’inductance L2 croit progressivement est s’opposant à la diminution de courant I L1 et génère une tension qui s’applique sur la charge R à travers les diodes D1 ; D2 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 40 Chap III Les convertisseurs de puissances III-4 Cas général : dans le cas général on peut écrire la tension de sortie du convertisseur Boost sous les formes suivante : 1 n Vin (1 − K ) 1 n 2 ∗ Vin (1 − K ) n 2 Vin V0 = (1 − K ) 3 n Vin ( ) 1 K − n j + 1 V (1 − K ) in Série principale Série addittionn elle Série double Série triple Série multiple ( j ) (3.47 ) De façon analogue le gain en tension s’écrit sous les formes suivantes: 1 n (1 − K ) 1 n 2 ∗ (1 − K ) n 2 V0 = G= Vin (1 − K ) 3 n (1 − K ) n j + 1 (1 − K ) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse Série principale Série addittionn elle Série double Série triple Série multiple ( j ) (3.48 ) 41 Chap III Les convertisseurs de puissances III-5 Simulations et résultats Dans ce chapitre, nous avons envisagés des simulations qui nous ont parues intéressantes et judicieuses afin de valider l’étude théoriques exposés. Pour ne pas sortir du cadre imposé de ce chapitre abordé il a été nécessaire de limiter le nombre de simulations aux seul cas traités dans les parties citées avec : la tension de sortie du panneau solaire UGPV = 43V et UGPV = 64V et les éléments du boost L1 = L2 = Ln = 169 µH C = C = C = 168µF 1 2 n RL = 80mΩ k = 0.63 RC = 5mΩ R = 120Ω f = 100 KHz et et et 200 1.6 180 160 1.4 140 1.2 120 1 100 0.8 80 0.6 60 0.4 40 0.2 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -3 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 x 10 4 -3 x 10 a) Forme de la tension pour UGPV =43 V 300 b) Forme du courant pour UGPV =43 V 2.5 250 2 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 -3 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 x 10 c) Forme de la tension pour UGPV =64 V 3.5 4 -3 x 10 d) Forme du courant pour UGPV =64 V Fig (III. 7): Formes de tension et du courant du Boost élémentaire Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 42 Chap III Les convertisseurs de puissances 400 3 350 2.5 300 2 250 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 a) Forme de la tension pour UGPV =43 V 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 b) Forme du courant pour UGPV =43 V 550 4.5 500 4 450 400 3.5 350 3 300 2.5 250 2 200 1.5 150 100 1 50 0.5 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 c) Forme de la tension pour UGPV =64 V 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 d) Forme du courant pour UGPV =64 V Fig (III. 8): Formes de tension et du courant du Boost élémentaire à deux étages Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 43 Chap III Les convertisseurs de puissances 300 2.5 250 2 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 a) Forme de la tension pour UGPV =43 V 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 b) Forme du courant pour UGPV =43 V 450 4 400 3.5 350 0 3 300 2.5 250 2 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 c) Forme de la tension pour UGPV =64 V 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 d) Forme du courant pour UGPV =64 V Fig (III. 9): Formes de tension et du courant du Boost élémentaire (Double Circuit) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 44 Chap III Les convertisseurs de puissances 500 4 450 3.5 400 3 350 2.5 300 250 2 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 a) Forme de la tension pour UGPV =43 V 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 b) Forme du courant pour UGPV =43 V Fig (III. 10): Formes de tension et du courant du Boost élémentaire (Double Circuit) à deux étages . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 45 Chap III Les convertisseurs de puissances 200 1.6 180 1.4 160 140 1.2 120 1 100 0.8 80 0.6 60 0.4 40 0.2 20 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 4 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 -3 4 -3 x 10 x 10 a) Forme de la tension pour UGPV =63 V 300 b) Forme du courant pour UGPV =43 V 2.5 250 2 200 1.5 150 1 100 0.5 50 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 -3 c) Forme de la tension pour UGPV =64 V 4 -3 x 10 x 10 d) Forme du courant pour UGPV =64 V Fig (III. 11): Formes de tension et du courant du Boost en pont monophasé mixte Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 46 Chap III Les convertisseurs de puissances III-6 Etude comparative : Pour mieux comprendre les simulations envisagées ci-dessus il a été nécessaire de regrouper tout les résultats de simulations dans un seul tableau Nbre de Panneau solaire (GPV) Tension du GPV élémentaire Tension et élémentaire à Deux étages Courant du convertisseur élémentaire (Double circuits) BOOST : élémentaire (Double circuits) à deux étages 02 03 43 V 64 V Tension = 116 V tension = 173 V Courant = 0.996A tension = 285 V Courant = 1.44A tension = 427.5 V Courant = 2.377A tension = 213 V Courant = 3.56A tension = 318 V Courant = 1.775A tension = 423 V Courant = 2.65A Courant = 3.525A tension = 116V tension = 173V en pont monophasé mixte Courant = 0.996A Courant = 1.44A Tableau III.1 : résultat de simulation des différentes topologies du convertisseur Boost. On voit clairement que pour avoir une tension de 400V à la sortie du convertisseur Boost et un courant qui doit satisfaire la demande en charge il faut soit utilisé : Le montage du convertisseur Boost élémentaire à deux étages avec une tension du générateur de panneau photovoltaïque GPV= 64V ce que veut dire l’utilisation de cinq (05) batteries de 12V en série. Ou bien il faut utiliser le montage du convertisseur Boost élémentaire (Double circuits) à deux étages avec une tension du générateur de panneau photovoltaïque GPV= 43V ce que veut dire l’utilisation de quatre (04) batteries de 12V en série. Mais pour le montage en pont monophasé mixte on voit bien qu’il est semblable avec le montage élémentaire que ce soit pour le courant ou bien pour la tension et il ne satisfait pas les conditions imposées. Donc selon nos besoin on va minimiser le nombre de générateur de panneau photovoltaïque GPV ainsi que les batteries d’accumulateurs donc on va jouer sur le cout. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 47 Chap III Les convertisseurs de puissances III-7 Filtre passe–bas Un filtre passe-bas est un filtre du premier ordre qui laisse passer les basses fréquences et qui atténue les hautes fréquences, c'est-à-dire les fréquences supérieures à la fréquence de coupure. Il pourrait également être appelé filtre coupe-haut. Le filtre passe-bas est l'inverse du filtre passe-haut et ces deux filtres combinés forment un filtre passe-bande. Le concept de filtre passe-bas est une transformation mathématique appliquée à des données (un signal). L'implémentation d'un filtre passe-bas peut se faire numériquement ou avec des composants électroniques. Cette transformation a pour fonction d'atténuer les fréquences supérieures à sa fréquence de coupure fc et ce, dans le but de conserver uniquement les basses fréquences. La fréquence de coupure du filtre est la fréquence séparant les deux modes de fonctionnement idéaux du filtre : passant ou bloquant. [17] Vs 1 = Ve 1 + RCS Vs 1 = Ve 1 + L S R τ = RC τ= L R III-8 Conclusion Ce chapitre s’est consacré à présenter les différentes topologies des convertisseurs BOOST leurs études leurs synthèse, et de les dimensionner relativement à un cahier de charge donné ; ainsi de choisir la meilleur topologie vis-à-vis au nombre de panneau solaire et au nombre de batteries utilisée, et enfin on a terminé avec les différents types de filtres passe bas et on a cité leurs rôles. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 48 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur IV-1 Introduction Avec l’augmentation de l’énergie renouvelable, les systèmes photovoltaïques (PV) reliés aux onduleurs, en particulier aux systèmes monophasés de basse puissance (de 1kW à 10kW), sont devenu les parties les plus importantes dans le système des générateurs de distribution. En raison de leurs petites puissances les systèmes PV donnent aux utilisateurs un maximum de rentabilité par un rendement élevé, une longue durée de vie, un bas prix, un petit volume et la sûreté. Afin d'améliorer l'efficacité des onduleurs solaires, et baisser leurs prix on élimine habituellement les transformateurs d'isolement (ils sont habituellement employés pour assurer la protection personnelle et évitant des courants de fuite entre le système PV et la terre).De ce fait, il ya beaucoup d'applications concernant les onduleurs sans transformateur comprenant la topologie de HERIC, la topologie H5 et les topologies (NPC) [28], [29]. La topologie NPC a été présentée par Nabae, Takahashi et Akagi en 1981 montrant de grandes améliorations en termes de dv/dt en le comparant avec les onduleurs classique à 2 niveaux. Elle a était l'une des topologies des onduleurs sans transformateur Comparé aux onduleurs MLI traditionnels avec 2 niveaux, la topologie NPC peut également produire des harmoniques inférieures due aux pertes de commutations [27]. Le mode commun du courant qui traverse la capacité parasite entre le redresseur et le rotor peut être nocif au moteur à courant alternatif et peut causer des pertes croissant, l'isolement prématuré vieillisse, et les protections se déclenchent ; Par contre dans les systèmes photovoltaïques, la capacité parasite atteint des valeurs hautes. Donc la capacité entre la rangée de PV et la mise à terre dans le système PV est semblable à la capacité entre le rotor et le redresseur dans le système d'entraînement du moteur à courant alternatif. En raison de la similitude entre le système d'entraînement à C.A et le système PV, la topologie NPC et ses dérivées ont pu également être appliquées aux systèmes PV. Elles sont actuellement employées par beaucoup de compagnies pour les systèmes onduleurs solaires [43]. La recherche de performances élevées dans les onduleurs solaires a suscité de nombreuses études tant dans les domaines de pointe (électronique spatiale) que dans les domaines industriels (haute tension), ces études mènent généralement à des structures fonctionnant en haute tension, pour améliorer le rendement, et en haute fréquence pour augmenter la puissance massique. Dans le cas où un isolement galvanique est nécessaire, le transformateur de liaison bénéficie de la réduction de taille due à la haute fréquence. Ce même transformateur devient aussi indispensable dès qu’un rapport de tension très important doit être créé entre les tensions d’entrée et de sortie (chargeur de batteries ou générateur HT à partir du réseau industriel par exemple) [26]. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 49 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur La haute fréquence et le rendement élevé sont cependant difficilement compatibles en raison des pertes par commutation des semi-conducteurs. Aussi de nombreux travaux ont porté sur des améliorations de la commutation dans ces convertisseurs [30]. IV-2 Aperçue sur les topologies des onduleurs multiniveaux Les Onduleurs multiniveaux impliquent l'association de semi-conducteurs de puissance et de sources de tensions capacitives qui permettent d’obtenir une tension de sortie au-dessus des calibres unitaires de chaque interrupteur ainsi qu’une fréquence apparente supérieure à celle de commutation de chaque interrupteur. Les avantages les plus importants de la topologie multiniveaux par rapport à la topologie biniveaux conventionnelle sont les suivants [31]: La tension de sortie est échelonnée et présente un meilleur spectre fréquentiel. En conséquence, les éléments de filtrage nécessaires sont plus réduits et moins coûteux. L’utilisation des tensions de sortie plus élevées permet d’augmenter la puissance du convertisseur sans augmenter le courant. L’augmentation de la fréquence apparente de sortie permet une dynamique du système plus élevée. Cependant ces convertisseurs présentent aussi quelques inconvénients : Au fur et à mesure que les niveaux de tension augmentent la structure de contrôle devient plus complexe. Des problèmes de déséquilibres de tension des condensateurs apparaissent. Les publications de ces dernières années nous montrent que l’étude des onduleurs multiniveaux (analyse de la topologie, contrôle, modulation, etc.) est à présent un des sujets le plus important de l’électronique de puissance. Le développement de la technologie multiniveaux a été marqué par deux facteurs. D’un côté, l’évolution technologique des matériaux semi-conducteurs permettant la réalisation d’interrupteurs de puissance et de tension plus élevées. D’un autre côté, même si le contrôle des onduleurs multiniveaux est compliqué, l’évolution des processeurs numériques de signal avec capacité de calcul et vitesse de réaction très élevée et coût réduit ont rendu possible la mise en œuvre de ce contrôle [44]. Puisque le choix de la meilleure topologie d’onduleurs multiniveaux et de la meilleure stratégie de commande, pour chaque application donnée, n’est pas souvent clair, ces derniers font sans cesse l’objet de nombreuses publications. La figure (IV.1) représente les topologies des onduleurs multiniveaux les plus récentes [41]. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 50 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Onduleurs Multiniveaux Onduleurs A Diode de Bouclage Onduleurs En Cascade Onduleurs A Condensateur Flotteur Fig. (IV.1) Les différentes topologies des onduleurs multiniveaux De la même façon, les stratégies de modulation et leurs diverses techniques peuvent être divisées comme il est indiqué par la figure (IV.2). Les stratégies de Modulation Fonctionnement En pleine Onde MLI MLI Sinusoidale MLI Vectorielle Fig. (IV.2) Les différentes techniques de modulation des onduleurs multiniveaux IV-2.1 Onduleur de tension a diode de bouclage :(Onduleur clampé par les diodes) La première topologie la plus pratique d’onduleur de tension multiniveaux est le [41] NPC (Neutral-Point-Clamped) figure (IV.3). Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 51 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur K1 C1 D1 K2 0 D2 K1 E C1 D1 E 0 K2 Vao C2 D3 Vao D2 K3 K3 C3 D4 K4 K5 C2 K4 K6 Fig (IV.3) Structure d’un bras de l’onduleur NPC à trois et à quatre niveaux. [41] Il présente des avantages par rapport à la topologie d’onduleur à deux niveaux [31]. Ces avantages sont: les composants de puissance à semi-conducteur bloquent une tension inverse égale seulement à la moitié de la tension de la source continue ; cette topologie peut être généralisée et les principes employés dans la topologie d’onduleur à trois niveaux peuvent être étendus pour l’utilisation dans des topologies avec n’importe quel nombre de niveaux. IV-2.2 Onduleur de tension a condensateur flotteur La topologie de l’onduleur multiniveaux à condensateur flotteur (flying capacitor multilevel inverter), figure (IV.4), a été proposée en 1992. L’avantage de cette topologie est d’éliminer le problème des diodes de bouclages présenter dans les topologies des onduleurs NPC multiniveaux. Cette topologie a quelques inconvénients [32]: Le contrôleur de la charge du condensateur ajoute la complexité au contrôle du circuit entier. Peut exiger plus de condensateurs que la topologie de l’onduleur NPC. La présence d’un potentiel de résonance parasite entre les condensateurs découplés. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 52 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur K1 K2 K1 E E C1 C1 C2 C3 K3 Vao K2 C2 Vao K4 K3 K5 K4 K6 Fig(IV.4) Structure d’un bras de l’onduleur à condensateurs flotteurs à trois et à quatre niveaux IV-2.3 Onduleur de tension en cascade Cette topologie d’onduleur facilite la maintenance et permet de donner une façon très pratique pour augmenter le nombre de niveaux dans le système [33], [34]. La figure (IV.5.a) représente un onduleur monophasé en cascade à cinq niveaux, les sorties des onduleurs en pont sont connectées en série telle que l’onde de la tension synthétisée est la somme des tensions de sortie. Le nombre des niveaux de tension de sortie dans un onduleur en cascade est définie par : N=2S+1 (5.1) Où S est le nombre des sources des tensions continues. L’avantage de cette approche hybride est que le nombre de sortie peut être augmenté davantage sans aucun ajout de nouveaux composants. Il faut seulement des sources de tensions continues avec différents niveaux de tensions [36]. Le plus avantageux utilise des sources de tensions avec deux niveaux de tensions (E et 2E) comme le montre la figure (IV.5.b). Cet arrangement peut générer une tension à sept (07) niveaux (0, +/- E, +/- 2E, +/- 3E). Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 53 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur K1 E E K3 C1 A 2E K1 K3 C1 K2 K4 K2 K4 K5 K6 K5 K6 K7 K8 C2 E K7 A C2 K8 O (a) O (b) Fig.(IV.5) Onduleur en cascade à 5 niveaux et à 7 niveaux IV-3 Les onduleurs NPC (Neutral Point Clamped) Cette structure d’onduleur multiniveaux a été introduite par A. Nabae et H. Akagi en 1981 dans [37]. Cette technique permet la mise en série des interrupteurs pour des applications haute tension. La figure(IV.6) présente le circuit électrique correspondant à un bras onduleur générique à N-niveaux. Une série de N-1 condensateurs permet de créer un ensemble de N-2 points milieux capacitifs ayant des potentiels de tension qui vont de Ec/(N-1), 2Ec/(N-1),… jusqu’à (N-2)Ec/(N-1). La répartition de la tension Ec sur les différents interrupteurs en série est cette fois assurée par des diodes (clamps) connectées à un point milieu capacitif. Des niveaux de tension intermédiaires sur la tension de sortie du bras peuvent donc être créés en connectant chacun de ces points à la sortie, en agissant pour cela sur les signaux de commande SC1, SC’1, SC2, SC’2, ... SCN-1, SC’N-1, des interrupteurs de puissance. L’application des règles de commande sur ces interrupteurs conduit à N états possibles pour la commande. Ils permettent de générer N niveaux distincts comme résumé dans le tableau (IV.1). Tous les autres états sont indéfinis et interdits [35]. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 54 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur CN-1 SCN-1 nN-2 DN-2 SCN-2 CN-2 nN-3 EC DN-3 CN-3 SC2 D1 SC1 SC’N-1 D’N-2 SC’N-2 VS D’N-3 C2 SC’2 n1 D’1 C1 SC’1 Fig (IV.6): Bras d’onduleur NPC à N-niveaux SCN -1 0 0 0 . 1 1 … … … … … … … SC3 0 0 0 . 1 1 SC2 0 0 1 . 0 1 SC1 0 1 1 . 0 1 Vs 0 ∆U 2 ∆U … (N-1) ∆ U (N) ∆ U Tableau IV. 1: Etats possibles de l'onduleur NPC à N-1 étages avec ∆ U = Ec N −1 Ceci est détaillé dans la figure (IV.7) pour le cas particulier d'un onduleur monophasé NPC à trois niveaux. Ce convertisseur associé avec des commandes décalées permet de faire apparaître trois niveaux de tension (0, Ec/2, Ec). Ainsi, pour l’obtention de chaque niveau de tension de sortie, il y a une et une seule configuration possible pour le bras d'un onduleur NPC. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 55 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur P K1 EC/2 C1 D1 K2 Ino EC IS D’1 EC/2 SC1 SC2 VS 1 0 EC 1 1 EC/2 0 1 0 0 0 * K3 VS C2 (*) Niveau indéfini Configuration interdite K4 0 SC1 SC2 Fig (IV. 7): Bras d’onduleur NPC à 3-niveaux et configuration possible Cette propriété peut poser des problèmes de stabilisation des potentiels des points milieux capacitifs. En effet, un seul bras alimentant une source de courant de sens unidirectionnel n’est pas capable d’imposer un même niveau de tension intermédiaire indéfiniment. Ceci est dû au fait que la configuration du bras correspondant obligera le courant de charge à traverser les condensateurs toujours dans le même sens [38]. Cependant, à cause des difficultés que présente l'équilibrage des tensions aux bornes des condensateurs particulièrement pour les basses fréquences, l'utilisation de cette structure ne pourrait pas être très adaptée pour la génération d’un grand nombre de niveaux souvent limitée dans la pratique à trois et cinq [39]. Concernant la comptabilisation du nombre de composants, actifs et passifs, un onduleur NPC à N-niveaux monophasé comporte: • N-1 condensateurs pour la création des points milieux capacitifs. Chaque condensateur doit être dimensionné pour une tension égale à Ec/(N-1) et pour un courant égal au courant maximal de la charge. • 4(N-1) interrupteurs de puissance du type semi-conducteur totalement commandables – diode tête-bêche. • 4(N-2) diodes de clampage. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 56 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Les avantages de cette structure par rapport à la structure classique 2-niveaux sont : 1. Avec N niveaux, on peut améliorer la forme d’onde de sortie et son contenu harmonique sera plus faible. 2. Réduction de la contrainte de tension sur les interrupteurs (ceci proportionnel au nombre de niveaux) et donc adaptée pour les applications haute tension. Ce convertisseur est donc intéressant de par les nouvelles possibilités offertes mais possède néanmoins des limitations très contraignantes [40]: 1. Déséquilibre de la tension des condensateurs. Dans certaines conditions de fonctionnement la tension du point milieu peut avoir de variations très importantes. Afin d’assurer le bon fonctionnement il est souvent nécessaire de réaliser un asservissement de la tension de ce point milieu. 2. Il est possible d’envisager le “clampage” d’un nombre d’interrupteurs plus important à l’aide de sources intermédiaires et de diodes. Les commandes assurant la stabilité des sources intermédiaires deviennent alors très complexes. On peut donc difficilement envisager d’employer cette technique pour plus de quatre interrupteurs en série. 3. La tension inverse des diodes est variable selon le point de potentiel de référence qu’elles fixent. Donc, il est nécessaire de connecter plusieurs diodes en série pour tenir la tension. IV-4 Onduleur NPC d’ordre supérieur On se basant sur l’onduleur de tension de type NPC, on peut étendre l’étude à des niveaux supérieurs. Selon le nombre de niveaux, on distingue deux cas : a) Si le nombre de niveaux est impair, le point neutre existe au milieu des condensateurs. Alors, la topologie NPC s’applique encore. b) Si le nombre de niveaux est pair, le point neutre n’existe plus vu le nombre impaire des condensateurs. La topologie qui s’applique dans ce cas, est celle à diodes de bouclage. Pour un bras d’onduleur à N niveaux, le nombre des éléments constituant sa topologie, notamment les sources secondaires de tension continue S, les interrupteurs K et les diodes de bouclage D sont régis par les relations suivantes: S=N−1 (5.2) K=2(N−1) (5.3) D=2(N−2) (5.4) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 57 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur L’onduleur multiniveaux de type NPC permet par la mise en série des interrupteurs, une meilleure maîtrise des contraintes en tension sur les composants. Plus le nombre de niveaux augmente la tension de sortie en forme d’escalier possède plusieurs paliers ceci permet de mieux approcher la sinusoïde, dans cette étude en se limite à l’analyse des onduleurs 3, 5 et 7 niveaux de type NPC. Donc seul le nombre impair est considéré. IV-4.1 Onduleur à trois niveaux de type NPC Structure La structure de l’onduleur de tension monophasé de type NPC à 3 niveaux est représentée par la figure (IV.8), Elle est composée de deux demi-ponts monophasés, a partir de la source principale de tension continue E et à l’aide d’un diviseur de tension capacitif formé par les condensateurs C1 et C2 de même capacité, on obtient deux sources secondaires de tension continue délivrant chacune un potentiel à demi tension (E/2). Cette structure crée alors un point neutre O entre les condensateurs C1 et C2. Chaque demi-pont est composé de deux étages d’interrupteurs, Chaque étage comporte deux transistors IGBT en série avec un point commun relié par une diode au point neutre O. Des diodes anti-parallèles sur les transistors assurent la réversibilité des courants de la charge [41]. K1 K1 C1 D1 E K2 D1 K2 VAB 0 D2 K3 D2 K3 C2 K4 K4 Fig (IV.8) Structure d’un onduleur NPC à trois niveaux . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 58 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Principe de fonctionnement Pour décrire le fonctionnement de l’onduleur monophasé de type NPC, on considère un seul bras dont la structure est représentée par la figure (IV.9). Il faut déterminer les valeurs que peut prendre la tension simple Vao entre la borne "a" de la charge et le point neutre O. Cette tension est définie par l’état (0 ou 1) des quatre interrupteurs K1, K2, K3 et K4 du bras. Le sens positif ou négatif des courants Id0, Id1 et Id2 fixe le sens du transfert de l’énergie du convertisseur. Lorsque la source de tension est génératrice et la charge est réceptrice, le courant passe à travers les transistors. Lorsque le transfert d’énergie s’effectue de la charge vers la source d’entrée, ce sont les diodes antiparallèles qui assurent le passage du courant. Sur les 24 séquences possibles, seules trois sont mises en œuvre. Toutes les autres sont donc à éviter, elles provoquent soient, des court-circuits des sources de tension continue : • court-circuit de E1 et de E2 avec les séquences [1111] et [1001]. • court-circuit de E1 avec les séquences [1110], [1000] et [1010]. • court-circuit de E2 avec les séquences [0111], [0001] et [0101]. Soient, elles provoquent la déconnexion de la charge pour [0000]. Soient encore, elles ne permettent pas d’assurer la connexion de la charge au point neutre pour [0100] et [0010]. Id1 K1 E1 E D1 0 Id0 K2 a D2 K3 E2 K4 Id2 Fig (IV.9) Bras d’onduleur a trois niveaux La figure (IV.10) montre les configurations du bras de l’onduleur de type NPC qui correspond aux trois séquences fonctionnelles suivantes: Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 59 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Séquence 1: K1, K2 passants et K3, K4 bloqués (figure (IV.11.a)): la tension de sortie : Vao = +E/2. La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est : VK3=VK4= +E/2. Séquence 2: K2, K3 passants et K1, K4 bloqués (figure (IV.11.b)): la charge est mise en court-circuit à travers l’un des interrupteurs K2 ou K3 et l’une des diodes de bouclage (roue libre). Donc, le point a est relié directement au point neutre O, la tension de sortie Vao est nulle : Vao = 0 et la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est : VK1=VK4= +E/2. Séquence 3: K1, K2 bloqués et K3, K4 passants (figure (IV.11.c)): la tension de sortie est : Vao = -E/2. La tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est : VK1=VK2= +E/2. Les séquences 1, 2 et 3 vont s’enchaîner durant chaque période de la façon suivante : 1-2-3-2. Pour visualiser l’enchaînement des séquences décrites ci-dessus, la figure (IV.11) montre les formes d’onde de la tension de sortie Vao, ainsi que les signaux de commande de chaque interrupteur. K1 K1 E/2 K1 E/2 D1 D1 K2 a 0 D2 a D2 K2 a 0 D2 K3 E/2 K3 E/2 K4 (a) D1 K2 0 K3 E/2 E/2 K4 (b) K4 (c) Fig (IV.10) Les différentes configurations fonctionnelles d’un bras . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 60 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur VAO E/2 α α 0 -E/2 K11 0 1 K2 0 K31 0 K41 0 0 T/2 T Fig (IV.11) Formes d’ondes d’un bras d’onduleur monophasé de type NPC Cette analyse montre que, la structure de l’onduleur à trois niveaux limite à E/2 la tension imposée à chaque interrupteur lorsqu’il est bloqué, alors que dans la structure classique de l’onduleur à deux niveaux, cette tension vaut la tension continue complète E. C’est cette caractéristique de l’onduleur à trois niveaux qui permet de monter en tension et en puissance, dans le cas des applications de forte puissance. IV-4.2 Onduleur a cinq niveaux de type NPC Afin de monter en tension et en puissance, on utilise les onduleurs multiniveaux pour une meilleure maîtrise de contraintes en tension sur les composants, cette topologie génère une tension simple à cinq niveaux (entre le bras d'onduleur et le point milieu) [45]. Structure La structure de l’onduleur de tension de type NPC à cinq niveaux est représenté par la figure (IV.12). Le nombre de sources secondaires continues nécessaire pour cette topologie est S=4, quatre condensateurs se partagent la tension E pour donner quatre sources distinctes de tension E/4. Cette topologie contient huit interrupteurs à IGBT et six diodes de bouclage. . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 61 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Afin d'éviter des courts-circuits des sources de tension, et avoir une conduction continue, donc un fonctionnement totalement commandable on adopte une commande complémentaire définie comme suit : SC1 = SC5 SC2 = SC6 SC3 = SC7 (5.5) SC4 = SC8 Phase S Phase R K1 K1 E/4 D1 E/4 K2 D1 K3 D2 K4 D3 K2 K3 D2 K4 D3 E Vao 0 D4 D4 K5 D5 D5 E/4 K5 K6 K6 D6 D6 K7 K7 K8 K8 E/4 Fig (IV.12) Structure d’un onduleur NPC a cinq niveaux Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 62 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Principe de fonctionnement Grâce à la symétrie de l'onduleur monophasé à cinq niveaux, on procède par bras. Ainsi on définit en premier lieu les cinq états d'un bras sans à priori sur la commande, ensuite on déduit celui de l'onduleur complet (figure (IV.13)). K1 E/4 D1 E/4 K2 K3 D2 K4 D3 E Vao 0 D4 K5 D5 E/4 K6 D6 K7 E/4 K8 Fig (IV.13) Structure d’un onduleur NPC a cinq niveaux Une analyse topologique d'un bras montre cinq configurations possibles, pour définir les séquences de fonctionnements de l'onduleur à cinq niveaux, définissant d'abord les différents états que peut prendre la tension simple (la tension entre le bras de l'onduleur et le point milieu fictif), par exemple la tension simple Vao est définie par l'état des huit quadruplets. Les états possibles d'un seul bras d'interrupteur est de 28 = 256 états que l'on peut représenter par un quadruplet de 0 et 1 suivant l'état des quadruplet K1, K2, à K8, seules les cinq états suivantes sont possibles avoir la configuration de la figure (IV.13). Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 63 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Première configuration [11110000] Il faut commander les quadruplets K1, K2, K3 et K4 à l'état 1 et les autres quadruplets reste à l'état 0 de la figure (IV.13): la tension de sortie est : Vao = E/2, la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est : VK5 = VK6 = VK7 = VK8 = +E/4. Deuxième configuration [01111000] La tension de sortie est : Vao = E/4, la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est: VK1=VK6= VK7= VK8=+E/4. Troisième configuration [00111100] Cette configuration est similaire à celle de l'onduleur à trois niveaux. L'état des quadruplets K3, K4, K5 et K6, qui sont à l'état 1 nécessaire à la mise à zéro de la tension Vao. La tension de sortie est : Vao = 0, la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est: VK1=VK2= VK7= VK8=+E/4. La quatrième configuration [00011110] Cette configuration fournie la partie négative, définie par l'état des quadruplets K5, K6 et K7, qui est égale 1: la tension de sortie est : Vao = -E/4, la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est: VK1=VK2= VK3= VK8=+E/4. La cinquième configuration [00001111] La tension de sortie est : Vao = -E/2, la tension inverse appliquée aux bornes des interrupteurs bloqués est: VK1=VK2= VK3= VK4=+E/4. L’onduleur à cinq niveaux de type NPC possède cinq séquences fonctionnelles qui sont regroupées dans la table de commutation suivante : K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 1 1 1 1 0 0 0 0 Tension de sortie Vao E/2 0 1 1 1 1 0 0 0 E/4 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 0 - E/4 0 0 0 0 1 1 1 1 -E/2 Etat des interrupteurs Tableau IV.2 Table de commutation de l’onduleur NPC a cinq niveaux Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 64 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur La figure (IV.14) montre les formes d’ondes de la tension de sortie Vao, ainsi que les signaux de commande de chaque interrupteur. VAO E/2 E/4 -E/4 0 π 2π θ -E/2 K11 0 1 K2 0 K31 0 K41 0 K51 0 K61 0 K71 0 K81 0 Fig (IV.14) Formes d’ondes d’un bras d’onduleur a cinq niveaux de type NPC . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 65 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur IV-4.3 Onduleur a sept niveaux de type NPC L’analyse de l’onduleur à sept niveaux se fait de façon similaire à l’onduleur à cinq niveaux. Structure L'onduleur monophasé à sept niveaux à structure NPC est constitué de deux bras symétrique et de six sources de tension continue égale. Chaque bras comporte douze interrupteurs, figure (IV.15). On a choisi la commande complémentaire définie comme suit afin d'éviter des courtscircuits des sources de tension, et avoir une conduction continue [45] : SC1 = SC7 SC2 = SC8 SC3 = SC9 SC4 = SC10 (5.6) SC5 = SC11 SC6 = SC12 Principe de fonctionnement L'onduleur monophasé à sept niveaux est montré sur la figure (IV.15), qui représente le schéma de principe de l'une des topologies des onduleurs monophasés à structure NPC. La source de tension continue est constituée par l'association en série de six groupes de condensateurs de filtrage délivrant un potentiel = E/6. Grâce à la symétrie de l'onduleur monophasé à sept niveaux, on procède par bras. Ainsi on définit en premier lieu les sept états d'un bras sans à priori sur la commande, ensuite on déduit celui de l'onduleur complet. Une analyse topologique d'un bras montre sept configurations possibles, pour définir les séquences de fonctionnements de l'onduleur à sept niveaux, définissant d'abord les différents états que peut prendre la tension simple (la tension entre le bras de l'onduleur et le point milieu fictif), par exemple. La tension simple Vao est définie par l'état des douze quadruplets qui peuvent être un transistor, un GTO ou bien un IGBT ou autre avec une diode en antiparallèle et de dix diodes de bouclage. Les états possibles d'un seul bras d'interrupteur est de 212 = 4096 états que l'on peut représenter par un quadruplet de 0 et 1 suivant l'état des quadruplet K1, K2, à K12, seules les sept états suivantes sont possibles avoir la configuration de la figure (IV.16). Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 66 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Phase R Phase S K1 E/6 K1 K2 K2 D1 D1 K3 K3 D2 D2 E/6 K4 K4 D3 E/6 D3 K5 D4 K6 D5 K5 D4 K6 D5 E 0 D6 D6 K7 D7 K7 D7 E/6 K8 K8 D8 D8 K9 E/6 K9 D9 D9 K10 D10 E/6 K11 K10 D10 K12 K11 K12 Fig (IV.15) Structure d’un onduleur NPC a sept niveaux Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 67 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur K1 E/6 D1 K3 D2 E/6 K4 D3 E/6 K2 K5 D4 K6 D5 E Vao 0 D6 K7 D7 E/6 K8 D8 K9 E/6 D9 K10 E/6 D10 K11 K12 Fig (IV.16) Structure d’un bras de l’onduleur NPC a sept niveaux L’onduleur à sept niveaux de type NPC possède sept séquences fonctionnelles qui sont regroupées dans la table de commutation suivante : Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 68 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur K1 K2 K3 K4 K5 K6 K7 K8 K9 K10 K11 K12 Tension de sortie Vao 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 E/2 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 E/3 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 E/6 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 0 -E/6 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 -E/3 0 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 -E/2 Etat des interrupteurs Tableau IV.2 Table de commutation de l’onduleur NPC a sept niveaux La figure (IV.17) montre la forme d’onde de la tension Vao à la sortie de l’onduleur. VAO E/2 E/3 E/6 0 -E/2 -E/6 -E/3 π 2π θ Fig (IV.17) Tension d’un onduleur monophasé de type NPC a sept niveaux IV-5 Les différentes techniques de modulation Grâce à ses performances élevées, la technique à MLI sinusoïdale est la plus utilisée pour la commande des onduleurs à deux niveaux. Pour les mêmes raisons, elle est aussi utilisée dans les onduleurs multiniveaux. Dans cette section, on analyse une stratégie de modulation à MLI sinusoïdale à triangle multiples. Il s’agit de déterminer, pour un onduleur monophasé à trois niveaux de type NPC, le signal de commande généré par cette technique. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 69 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur IV-5.1 Modulation sinusoïdale classique Comme pour les onduleurs à deux niveaux, les signaux de commande des interrupteurs de l’onduleur NPC sont obtenus à partir des intersections de deux signaux de référence sinusoïdaux déphasés entre eux de 180°, de fréquence fm et d’amplitude Am, avec un signal triangulaire d’amplitude Ac et de fréquence fc, très supérieure à fm. IV-5.2 Commande par la modulation a triangles multiples Cette technique est basée, dans son principe, sur la modulation sinusoïdale classique. Pour un onduleur à trois niveaux, elle recommande l’utilisation de deux signaux triangulaires de même fréquence fc et de même amplitude Ac (crête à crête). Ces signaux triangulaires sont comparés, pour chaque phase, avec un signal de référence d’amplitude Am et de fréquence fm. C’est la modulation sinusoïdale à double triangle. Pour les onduleurs avec N niveaux supérieur à trois, la technique sinusoïdale classique avec son signal triangulaire unique, ne permet pas la génération de tous les signaux de commande. Alors, c’est la modulation sinusoïdale à triangles multiples qui le permet. Cette technique nécessite (N-1) signaux triangulaires de même fréquence fc et de même amplitude Ac. Le taux de modulation ma est le rapport de fréquence mf sont donnés par les expressions [46] : ma = mf = Am fC (N − 1)AC (5.7) fm (5.8) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 70 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur IV-6 Simulation des onduleurs NPC multiniveaux IV-6.1 Simulation de l’onduleur NPC a trois niveaux L’onduleur NPC à trois niveaux est alimenté avec deux sources de tension continue ayant chacune une tension E/2=200V. Toutes les simulations sont réalisées avec un taux de modulation ma= 0.9 et un rapport de fréquence mf = 40. Commande par la modulation à doubles triangles Pour cette technique, deux porteuses sont utilisées avec un signal de référence pour générer la commande de chaque phase. La figure (IV.18) montre les signaux de référence avec les deux porteuses, ainsi que les signaux de commande de la phase ‘R’ de K1 à K4. Signaux de références avec deux porteuses 400 200 0 -200 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 1 K1 0.5 0 1 K2 0.5 0 1 K3 0.5 0 1 K4 0.5 0 Fig (IV.18) Génération des signaux de commande des interrupteurs par la modulation a doubles triangles (Onduleur NPC a trois niveaux) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 71 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur La simulation de l’onduleur NPC à trois niveaux commandé par la technique de modulation à doubles triangles donne les résultats présentés à la figure (IV.19). On y trouve la tension de sortie de l’onduleur Vab, courant de la charge résistive Ich et la puissance a la sortie de l’onduleur Pch. 400 200 0 -200 -400 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 5 1 x 10 0.5 0 -0.5 -1 0 7 2 x 10 1 0 -1 -2 0 Fig (IV.19) Tension de sortie de l’onduleur, courant de la charge résistive et la puissance a la sortie de l’onduleur pour la modulation à doubles triangles (Onduleur NPC a trois niveaux) IV-6.2 Simulation de l’onduleur NPC a cinq niveaux L’onduleur NPC à cinq niveaux utilise quatre sources de tension continue identiques de valeurs E/4=100V. Il est simulé avec la modulation à triangles multiples. En effet, la modulation classique ne peut pas être généralisée pour les onduleurs multiniveaux d’ordre supérieur à trois. Toutes les simulations sont réalisées avec le même taux de modulation ma= 0.9 et le même rapport de fréquence mf= 40. Commande par la modulation à triangles multiples L’onduleur à cinq niveaux exige quatre porteuses avec deux signaux de référence pour générer la commande des deux phases, comme illustré par la figure (IV.20). Elle représente également les signaux de commandes des interrupteurs K1 à K8 de la phase ‘R’. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 72 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Signaux de références avec les quatre porteuses 400 200 0 -200 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 1 K1 0.5 0 1 K2 0.5 0 1 K3 0.5 0 1 K4 0.5 0 1 K5 0.5 0 1 K6 0.5 0 1 K7 0.5 0 1 K8 0.5 0 Fig (IV.20) Génération des signaux de commande des interrupteurs par la modulation a triangles multiples (Onduleur NPC a cinq niveaux) la Figure (IV.21) montre la forme d’onde de la tension de sortie de l’onduleur Vab, courant de la charge résistive Ich et la puissance a la sortie de l’onduleur Pch. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 73 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur 200 100 0 -100 -200 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 4 5 x 10 0 -5 0 7 1 x 10 0.5 0 -0.5 -1 0 Fig (IV.21) Tension de sortie de l’onduleur, courant de la charge résistive et la puissance a la sortie de l’onduleur pour la modulation a triangles multiples (Onduleur NPC a cinq niveaux) IV-6.3 Simulation de l’onduleur NPC a sept niveaux L’onduleur NPC à sept niveaux est simulé seulement avec la modulation à triangles multiples. On maintient le même taux de modulation ma= 0.9 et le même rapport de fréquence mf= 40. Les simulations, pour chaque technique, sont présentées respectivement dans les sections suivantes. Commande par la modulation à triangles multiples On se référant au principe de cette technique, pour l’onduleur à sept niveaux, elle utilise six porteuses avec deux signaux de référence pour générer la commande des deux phases et les signaux de commande des interrupteurs K1 à K12 de la phase ‘R’ comme illustré par la figure (IV.22). La simulation de l’onduleur NPC à sept niveaux commandé par la technique de modulation à triangles multiples donne les résultats présentés à la figure (IV.23). Elle représente la tension de sortie de l’onduleur, courant de la charge résistive et la puissance a la sortie de l’onduleur. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 74 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur Signaux de références avec les six porteuses 400 200 0 -200 -400 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 1 K1 0.5 0 1 K2 0.5 0 1 K3 0.5 0 1 K4 0.5 0 1 K5 0.5 0 1 K6 0.5 0 1 K7 0.5 0 1 K8 0.5 0 1 K9 0.5 0 1 K10 0.5 0 1 K11 0.5 0 1 K12 0.5 0 Fig (IV.22) Génération des signaux de commande des interrupteurs par la modulation a triangles multiples (Onduleur NPC a sept niveaux) Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 75 Chap IV Onduleurs NPC sans transformateur la figure (IV.23) montre la forme d’onde de la tension de sortie de l’onduleur Vab, courant de la charge résistive Ich et la puissance a la sortie de l’onduleur Pch. 200 100 0 -100 -200 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 4 3 x 10 2 1 0 -1 -2 -3 0 6 6 x 10 4 2 0 -2 -4 0 Fig (IV.23) Tension de sortie de l’onduleur, courant de la charge résistive et la puissance a la sortie de l’onduleur pour la modulation a doubles triangles (Onduleur NPC a sept niveaux) IV-7 Conclusion Dans ce chapitre, les différents types de onduleurs multiniveaux ainsi que ses caractéristiques principales on été présentés. Les avantages des uns et des autres ainsi que ses contraintes ont été établis. Les onduleurs de type NPC et Onduleur de tension à condensateur flotteur utilisent des condensateurs dans leurs structures. Les tensions aux bornes des condensateurs sont la clé pour leur fonctionnement et par conséquent les valeurs correctes de ces tensions doivent être prévues. D’autre part, les atouts des onduleurs NPC multiniveaux dans le domaine de la commande de machines à courant alternatif ont été abordés. L’intérêt principal étant de réduire les contraintes imposées sur la machine et d’augmenter ses performances. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 76 Chap V Simulation et évaluation V-1 Simulations envisagées Dans le cadre de ce travail, nous avons envisagés des simulations qui nous ont parues intéressantes et judicieuses afin de valider les résultats théoriques exposés dans les chapitres : 1, 2, 3 et 4. Bien sur la liste de celle-ci pourrait être beaucoup plus importante. Mais l’objectif principal étant de modéliser les onduleurs et leurs principales commandes ainsi que les batteries, pour ne pas sortir du cadre imposé du sujet abordé il a été nécessaire de limiter le nombre de simulations aux seul cas traités dans les parties citées. Tension continue : Modulatrice amplitude Tension délivrée par la batterie Fréquence du fondamental 400 Volts 10 Volts 5*12Volts 50 Hz Fréquence de la porteuse Resistance Charge Inductance Source de tension Resistance Filtre passe-bas Inductance Indice de modulation 1050 Hz R= 15 Ω L= 2 mH 460 Volts R= 0.1 Ω L= 35 mH m = 21 Coefficient de réglage r = 0.9 Générateur photovoltaique Nombre de panneaux 3 Nombre de cellules par module 36 Ensoleillement 1000 W/m2 Température 25 degrés Point de fonctionnement optimal Tension a vide P(W/m2)=50 Vm(V)=17.9 21.5 Courant de court-circuit 3.10 Facteur d’idéalité de la diode 1.2 Energie de gap 1.12 . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 77 Chap V Simulation et évaluation Tension délivré par le PV Tension délivré par la batterie 70 70 60 60 50 50 40 40 30 30 20 20 10 10 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0 0 20 La commande D 40 60 80 100 Tension délivré par le BOOST 600 1 0.9 500 0.8 0.7 400 0.6 300 0.5 tension réguler 0.4 200 0.3 0.2 100 0.1 0 0 20 40 60 80 100 0 0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01 V-2. Simulation du fonctionnement de l’onduleur Neutral Point Clamped Half Bridge (Conventional topology NPC demi pont) Les commandes des interrupteurs S1=S-3 S2=S-4 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -3 x 10 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -3 x 10 78 Chap V Simulation et évaluation Tension délivré par l’onduleur Puissance délivré par l’onduleur 4 400 2 300 1.5 200 1 100 0.5 0 0 -100 -0.5 -200 -1 -300 x 10 -1.5 -400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1 -3 x 10 Courant de la charge sans filtrage Courant de la charge avec filtrage 60 50 40 40 30 20 20 10 0 0 -10 -20 -20 -30 -40 -40 -60 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 THD délivrée par le courant -50 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 THD délivrée par la tension Figure V.1. Simulation de l’onduleur NPC demi pont et charge RLE . Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 79 Chap V Simulation et évaluation V-3. Simulation du fonctionnement de l’onduleur Conergy Neutral Point Clamped Half Bridge (NPC demi pont) Les commandes des interupteurs S1=S - S2 =S+ 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 -3 1 -3 x 10 x 10 Tension délivré par l’onduleur Puissance délivré par l’onduleur 4 1.5 x 10 400 1 200 0.5 0 0 -0.5 -200 -1 -400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 -1.5 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 -3 x 10 Courant de la charge sans filtrage Courant de la charge avec filtrage 30 30 20 20 10 10 0 0 -10 -10 -20 -20 -30 -30 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 80 Chap V Simulation et évaluation THD délivrée par le courant THD délivrée par la tension Figure V.2. Simulation de l’onduleur Conergy Neutral Point Clamped Half Bridge demi pont et charge RLE V-4. Simulation du fonctionnement de l’onduleur Active Neutral Point Clamped Half Bridge (NPC demi pont) Les commandes des interupteurs S1=S5=S6=S-3 1 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.4 0.2 0.2 0 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0 0 0.2 0.4 S2=S-4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 -3 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 2 -3 x 10 Tension délivré par l’onduleur 1.8 x 10 Puissance délivré par l’onduleur 81 Chap V Simulation et évaluation 4 400 2 300 1.5 200 1 100 0.5 0 x 10 0 -100 -0.5 -200 -1 -300 -1.5 -400 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 -2 -3 x 10 Courant de la charge sans filtrage 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 Courant de la charge avec filtrage 50 60 40 40 30 20 20 10 0 0 -10 -20 -20 -30 -40 -40 -60 -50 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 THD délivrée par le courant 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 THD délivrée par la tension Figure V.3. Simulation de l’onduleur Active Neutral Point Clamped Half Bridge et charge RLE Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 82 CONCLUSION GENERALE Les onduleurs solaire sont très utilisés dans des domaines d’applications les plus variés, dans le plus connu est sans doute, celui pour des applications domestiques dans des sites isolés. L’objectif de ce travail est de modéliser et de simuler le fonctionnement de la chaine des onduleurs solaires monophasé de type NPC sans transformateur alimentant une charge RLE. Avant d’aborder ces résultats, dans le premier chapitre nous avons commencé par présenter la modélisation des systèmes photovoltaïque, les caractéristiques et le domaine d’application des panneaux solaires. Le développement rapide des batteries de recharge et grâce au progrès récent effectué au niveau de la technologie des composants, dans le second chapitre nous avons exposés les principales structures de l’énergie électrique photovoltaïque et son stockage dans les systèmes électriques. Le développement de l’électronique de puissance à semi-conducteurs et le grand nombre de convertisseurs développés récemment permettent le choix d’une association d’un hacheur BOOST et d’un onduleur de tension à deux niveaux ou multiniveaux, dans le troisième chapitre nous avons exposés les principales topologies des convertisseurs Boost leurs structures, leurs principe de fonctionnement, et leurs modes de commande. L’adoption des onduleurs NPC dans les installations industrielles a été motivée par des avantages tel que la réduction du taux de distorsion harmonique, l’amélioration du facteur de puissance, la minimisation des grandeurs de filtrage et avoir une tension presque sinusoïdal. Ainsi le développement rapide des algorithmes de commande très performants des machines à courant alternatifs impose des moyens de réglage tout aussi performants des tensions et de la fréquence d'alimentation de ces machines. Afin de générer une tension la plus sinusoïdale que possible, différentes stratégies de commandes à MLI des onduleurs multiniveaux sont traité. Ces stratégies sont d’une manière générale des extensions de celles des onduleurs à deux et trois niveaux, dans le quatrième chapitre nous avons cité toutes les topologies des onduleurs NPC et nous sommes consacrés sur trois topologies. Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 83 En terminera par le cinquième chapitre qui expose les résultats des différentes simulations et leurs interprétations qui nous ont permis de conclure de la validité des modèles développés pour la batterie, l’hacheur Boost, et l’onduleur NPC et les différentes commandes. Les topologies dérivées de la topologie NPC ont montré des rendements très élevés dans les essais de simulation effectués dans ce travail, donc on peut les rendre très appropriés aux applications des onduleurs PV sans transformateur dues à leur rendement élevé et bas courant. La topologie Conergy-NPC à un rendement légèrement plus élevé en la comparon avec la topologie Conventional NPC, étant donné que seulement un commutateur conduit pendant l'état actif. Par conséquent, la topologie de Conergy NPC convient à des applications de basse puissance pour les systèmes PV. D’ailleurs, la structure est simple et comporte peu de composants sont les deux attrayants pour l'application commerciale. Cependant, les commutateurs S+ et S ne sont pas semblables aux commutateurs de la topologie active NPC. Ces deux commutateurs montrent plus de pertes de puissance et doivent commuter la tension VPV/2. La topologie d'ANPC, qui emploie différentes stratégies de modulation, à un meilleur taux de distortion harmonique de courant qui est égale à 18.81% par rapport à la topologie Conergy-NPC qui est égale à 19.68% soit une démunissions de 0.87% et par rapport à la topologie Conventional NPC qui est égale à 20.38% soit une démunissions de 1.57%. De même pour le taux de distortion harmonique de tension qui est égale à 161.20% par rapport à la topologie Conergy-NPC et à la topologie Conventional NPC qui est égale à 192.24% soit une démunissions de 31.04%. De la même manière on voit que le courant et la puissance dans la topologie d'ANPC et de 150% plus que le courant et la puissance dans la topologie Conergy-NPC et de la même valeur que dans la topologie Conventional NPC pour le courant et pour la puissance. Ainsi, la topologie d'ANPC convient aux applications des systèmes PV sans transformateur de puissance élevée. 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% Isc (Courant de court-circuit ) a = 0.65e-3; % Coefficient de température (0.065%/C) TaK = 273 + TaC; % La température en kelvin Vc = Va / Ns; % La tension à la borne de cellule. % Courant de court-circuit à TaK Isc = Isc_TrK * (1 + (a * (TaK - TrK))); % Le photo-courant Iph = G * Isc; %La tension thermique (Vt) à TrK Vt_TrK =n * k * TrK / q; % Définie b = Eg * q/(n*k); b = Eg * q /(n * k); % Le courant de saturation inverse d'une diode Ir_TrK = Isc_TrK / (exp(Voc_TrK / Vt_TrK) -1); Ir = Ir_TrK * (TaK / TrK)^(3/n) * exp(-b * (1 / TaK -1 / TrK)); % Calcul de La résistance série dVdI_Voc = -1.0/Ns; Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 89 Annexe A Xv = Ir_TrK / Vt_TrK * exp(Voc_TrK / Vt_TrK); Rs = -dVdI_Voc - 1/Xv; % La tension thermique (Vt) à Ta Vt_Ta = n * k * TaK / q; % I = Iph - Ir * (exp((Vc + I * Rs) / Vt_Ta) -1) Ia =zeros(size(Vc)); % Initialisation du courant Ia à zéro for j=1:5; Ia = Ia - (Iph - Ia- Ir .* ( exp((Vc + Ia .* Rs) ./ Vt_Ta) -1))... ./ (-1 - Ir * (Rs ./ Vt_Ta) .* exp((Vc + Ia .* Rs) ./ Vt_Ta)); end Effet de l'eclairement sur la caractéristique I-V TaC = 25; Va = linspace (0, 45, 50); hold on for G=0.2:0.2:1 Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); plot(Va, Ia) end xlabel('Tension (V)') ylabel('Courant (A)') axis([0 50 0 5]);grid gtext('1000W/m2') gtext('800W/m2') gtext('600W/m2') gtext('400W/m2') gtext('200W/m2') gtext('T=25°') hold off Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 90 Annexe A Effet de l'éclairement sur la caractéristique P-I Va = linspace (0, 45, 200); TaC=25; hold on for G=.2:.2:1 Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Ia, Pa) end xlabel('courant (I)') ylabel('puisance (v)') axis([0 7 0 160]);grid gtext('1000W/m^2') gtext('800W/m^2') gtext('600W/m^2') gtext('400W/m^2') gtext('200W/m^2') gtext('T=25°') hold off Effet de l'éclairement sur la caractéristique P-V Va = linspace (0, 45, 200); TaC=25; hold on for G=.2:.2:1 Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Va, Pa) end xlabel('tension (V)') ylabel('puissance (W)') Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 91 Annexe A axis([0 50 0 160]);grid gtext('1000W/m^2') gtext('800W/m^2') gtext('600W/m^2') gtext('400W/m^2') gtext('200W/m^2') gtext('T=25°C') hold off Effet de la température sur la caractéristique I-V G = 1; hold on for TaC=0:15:75 Va = linspace (0, 48-TaC/8, 200); Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); plot(Va, Ia) end xlabel('Tension (V)') ylabel('Courant (A)') axis([0 50 0 6]);grid gtext('0°C') gtext('15°C') gtext('30°C') gtext('45°C') gtext('60)C') gtext('75)C') gtext('E=1000W/m^2') hold off Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 92 Annexe A Effet de la température sur la caractéristique P-V G=1; Va = linspace (0, 50, 200); hold on for TaC=0:15:75; Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Va, Pa);grid end xlabel('tension (V)') ylabel('puissance (P)') axis([0 50 0 180]);grid gtext('0°C') gtext('15°C') gtext('30°C') gtext('45°C') gtext('60°C') gtext('75°C') gtext('E=1000W/m^2') hold off Effet de la température sur la caractéristique P-I G=1; hold on for TaC=0:15:75 Va = linspace (0, 48-TaC/8, 200); Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Ia, Pa) end xlabel('courant (I)') ylabel('puisance (P)') Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 93 Annexe A axis([0 5 0 180]);grid gtext('0°C') gtext('15°C') gtext('30°C') gtext('45°C') gtext('60°C') gtext('75°C') gtext('E=1000W/m^2') hold off Puissance disponible en fonction de la tension aux bornes d’un panneau solaire Va = linspace (0, 45, 200); TaC=25; G=1 Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Va, Pa) xlabel('tension (V)') ylabel('puissance (W)') axis([0 50 0 160]);grid gtext('PPM') gtext('P1') gtext('P2') hold off Illustration de l'algorithme des méthodes de Hill-climbing et P&O G=1; Va = linspace (0, 50, 200); hold on TaC=25; Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 94 Annexe A plot(Va, Pa); hold on Va = linspace (30, 50, 200); TaC=25; Ia = bp_sx150s(Va, G, TaC); Pa = Ia.*Va; plot(Va, Pa,'r'); xlabel('tension (V)') ylabel('puissance (P)') axis([0 50 0 180]);grid gtext('MPP') gtext('Umpp') gtext('Umax') gtext('Umpp-?U') gtext('Umpp+?U') gtext('P<Pmpp') gtext('P<Pmpp') hold off Hacheur Boost a. Rapport de conversion Vs/Ve(D) du convertisseur Boost en fonction de D avec paramètre RL/Z clear; % BOOST M(D)= f(D) %y=(1/(1+a))*x % M(D)= (1/(1+(RL/Z*(1/(1-D)^2)))*(1/(1-D)) % M(D)=y % D= x % R/Z= a x=0:0.0005:10; y=0:1:10; a=0; Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 95 Annexe A y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*1./(1-x) plot(x,y);grid hold on x=0:0.0005:10; y=0:1:10; a=0.005; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*1./(1-x) plot(x,y);grid x=0:0.0005:10; y=0:1:10; a=0.01; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*1./(1-x) plot(x,y);grid x=0:0.0005:10; y=0:1:10; a=0.05; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*1./(1-x) plot(x,y);grid x=0:0.0005:10; y=0:1:10; a=0.1; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*1./(1-x) plot(x,y);grid axis([0 1 0 10]) xlabel('Rapport cyclique D') ylabel('Rapport de conversion M(D)') gtext('RL/Z=0') gtext('RL/Z=0.005') gtext('RL/Z=0.01') gtext('RL/Z=0.05') gtext('RL/Z=0.1') hold off Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 96 Annexe A b. Le rendement η d’un convertisseur Boost en fonction de RL/Z clear; % BOOST rendement= f(D) % y=(1/(1+a))*x % M(D)= (1/(1+(R/Z))*D % M(D)=y % D= x % R/Z= a x=0:0.01:1; y=0:10:100; a=0.001; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*100 plot(x,y);grid hold on x=0:0.01:1; y=0:10:100; a=0.01; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*100 plot(x,y);grid hold on x=0:0.01:1; y=0:10:100; a=0.05; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*100 plot(x,y);grid hold on x=0:0.01:1; y=0:10:100; a=0.1; y=1./(1+1./(x.^2-2.*x+1)*a)*100 plot(x,y);grid axis([0 1 0 100]);grid xlabel('Rapport cyclique D') Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 97 Annexe A ylabel('Rendement(%)') gtext('RL/Z=0.001') gtext('RL/Z=0.01') gtext('RL/Z=0.05') gtext('RL/Z=0.1') hold off La tension VAB à la sortie de l’onduleur est donnée par la valeur moyenne VAB 1 = 2π VAB = V AB = 2π ∫ E ∗ sin wt ∗ dt 0 π 2 E ∗ sin wt ∗ dt 2π ∫0 2∗ E π Puisque V AB = 220 ∗ 2 Donc E= π 2 ∗V AB E = 361.28 ∗ 2 V Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 98 Annexe B I. Chaine de conversion photovoltaique Vdc Ipv E Vac Controleur G Idc Vpv Generateur PV Ibat ~ Onduleur Iac Charges Vba t Batteries II. Modélisation de la commande D III. Modélisation de l’hacheur boost Rappelons les expressions : dv iL = ie − C1 e dt dvs is =(1 − D)iL − C2 dt ve = (1 − D)vs + RL iL + L diL dt Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 99 Annexe B A partir de ce résultat on peut donner le modèle de l’hacheur boost, sous forme de schéma bloc que l’on implantera sous Simulink sous forme d’un sous système (subsystem). IV. Modélisation de la batterie Rappelons les expressions : Z (s) = a2 S 2 + a1 S 1 + a0 b2 S 2 + b1 S + b0 Avec : a 2 = Rb S .Rb 1 . Rb p .C b 1 .C bp a 1 = Rb S .Rb 1 .C b 1 + Rb S .Rb p .C bp + Rb 1 .Rb p .C bp + Rb p .Rb 1 .C b 1 a 0 = Rb S + Rb 1 + Rb p b2 = Rb 1 .Rb p .C b 1 .C bp b1 = Rb 1 .C b 1 + Rb p .C bp b0 = 1 Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 100 Annexe B A partir de ce résultat on peut donner le modèle de la batterie, sous forme de schéma bloc que l’on implantera sous Simulink sous forme d’un sous système (subsystem). V. Topologie des onduleurs NPC V.1 Neutral Point Clamped Half Bridge (NPC demi pont) [43] Cpv1 Vpv1 S1 D+ D1 S2 D2 B A PV S3 Cpv2 Vpv2 D3 Vg DS4 O Filtre D4 N Vpv2 Neutral Point Clamped Half Bridge Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 101 Annexe B V.2 Conergy Neutral Point Clamped Half Bridge [43] S1 Cpv1 D1 Vpv1 S- DA B PV D+ Cpv2 Filtre S+ Vg Vpv2 D4 S2 O N Vpv2 Conergy Neutral Point Clamped Half Bridge V.3 Active Neutral Point Clamped Half Bridge (Actif NPC demi pont) [43] S1 Cpv1 D1 Vpv1 D5 S5 D2 S2 B A PV S6 Vpv2 S3 D6 Filtre D3 Vg Cpv2 S4 O D4 N Vpv2 Active Neutral Point Clamped Half Bridge Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 102 Annexe B VI. Modélisation du filtre Avec R = 0.1Ω L = 35mH VII. Modélisation du regulateur PI Kp = 100 Ki =1 VIII. Chargeur de batterie Topologie des onduleurs solaire : étude et synthèse 103