Mémoire de Master - Bibliothèque Centrale Université de Ouargla

REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE
MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE
SCIENTIFIQUE
UNIVERSITE KASDI MERBAH- OUARGLA
Faculté des Sciences et technologie et sciènes de la matière
Département de Génie Electrique
Spécialité : Génie électrique et électronique
Option : Automatique
Mémoire de Master
En vue de l’obtention du diplôme de master
Présenté par :
Othmane BENSEDDIK
Fathi DJALOUD
THEME
Soutenu le : 27 /06/2012
Devant le jury composé de :
Nom & Prénom
Grade
Qualité
Université
A. BENMIR
MAA
President
Ouargla
L. AOMAR
MAA
Examinateur
Ouargla
L. KHETTACHE
MAA
Examinateur
Ouargla
M.L. LOUAZENE
MAA
Promoteur
Ouargla
2011/2012
Remerciement
Avant tout nous tenons nos remerciements à notre dieu de nos avoir
donné la force et le courage.
A la suite Nous tenons à remercier vivement Mr. LOUAZENE
Lakhdar notre promoteur qui a fourni des efforts énormes, par ses
informations ses conseils et ses encouragements.
Nous tenons également à remercier messieurs les membres de jury pour
l’honneur qu’ils nos ont fait en acceptant de siéger à notre soutenance,
tout particulièrement : Mr.A. BENMIR pour nous avoir fait
l’honneur de présider le jury de cette mémoire.
Nos vifs remerciements aussi à Mr. L.AOMAR.
Et Mr.L.KHETTACHE, et Tous deux maîtres assistants à l’université
d’Ouargla, pour avoir accepté d’être examinateurs de ce travail.
Et tous les professeurs de département de Génie électrique
A tous ce qui furent à un moment ou à toute instante partie prenante de
ce travail.
Nos plus chaleureux remerciements pour tous ceux qui de prés et de loin
ont contribué à la réalisation de cette mémoire.
Introduction générale …………………………………….............................. 1
Chapitre 1: Etude d'un système photovoltaïque
1.1
Introduction ……………………………………………………………………...
3
1.2
L'énergie solaire …………………………………………………………………
3
1.3
La cellule PV ……………………………………………………………………..
4
1.3.1 L'effet photovoltaïque …………………………………………………...
5
1.3.2 Technologie d'une cellule photovoltaïque ………………………………
6
Regroupement des cellules ……………………………………………………...
8
1.4.1 Regroupement en série ……………………………………………………
8
1.4.2 Regroupement en parallèle ……………………………………………….
9
1.4.3 Regroupement (série et parallèle) ………………………………………..
9
1.5 Modélisation d’une cellule photovoltaïque ……………………………………
10
1.4
1.5.1 Cellule photovoltaïque idéal …………………………………………….
10
1.5.2 Cellule photovoltaïque réel ………………………………………………
11
1.6
Module photovoltaïque simens …..……………………………….. …………..
12
1.7
Influence de la température …………………………………………………….
16
1.8
Influence de l'éclairement ………………………………………………………
17
1.10 Conclusion ………………………………………………………………………………
19
Chapitre 2: Les convertisseurs statiques
2.1 Introduction ……………………………………………………………………...
20
2.2 Les onduleurs …………………………………………………………………….
20
2.2.1 Principe de fonctionnement d’un onduleur ………………………………
21
2.2.2 Onduleur Monophasé ……………………………………………………..
21
2.2.2.1 Onduleur monophasé en demi-pont ………………………………
21
2.2.2.2 Onduleur monophasé en pont (PontH) ……………………………
22
2.2.3 Onduleur triphasé ………………………………………………………….
22
2.3 Les convertisseurs DC-DC ……...……………………………………………….
23
2.3.1 Le convertisseurs BOOST ………………………………………………...
23
2.3.2 Convertisseur Buck ………………………………………………………..
25
2.4 Avantage de convertisseur BOOST …………………………………………….
26
I
2.5 Simulation du l’ hacheur ………………………………………………………..
27
2.5.1 hacheur série ……………………………………………………………….
27
2.5.2 Hacheur parallèle ……………………………………..................................
31
2.6 Conclusion ………………………………………………………………………...
33
Chapitre 3: Les méthodes d’optimisation
3.1 Introduction ………………………………………………………………………
34
3.2
Connexion direct entre la source et la charge ………………………………….
34
3.3 Le fonctionnement optimal du générateur photovoltaïque ……………………
36
3.4 Principe de fonctionnement de MPPT …………………………………………..
37
3.5 Gestion de la MPPT ………………………………………………………………
38
3.6 Classification de l'algorithme de suiveur la puissance max ……………………
40
3.6.1 Les méthodes indirectes …………………………………………………...
40
3.6.1.1 La méthode de la tension de circuit ouvert du générateur ………
40
3.6.1.2 La méthode de court-circuit ……………………………………….
41
3.6.2 Les méthodes directes ……………………………………………………...
41
3.6.2.1 La méthode Perturbe & Observe (P&O) …………………………
41
3.6.2.2 La méthode incrémentation de la conductance (IncCond) ……...
44
3.6.2.3 Méthode a contre réaction de la tension …………………………
46
3.6.2.4 Méthode contre réaction de courant ……………………………..
47
3.7 Conclusion ………………………………………………………………………...
47
Chapitre 4: Simulation d'un système photovoltaïque
Introduction ………………………………………………………………………
49
4.2 Simulation d'un système photovoltaïque…………………………………
49
4.3
Simulation d'un système photovoltaïque avec et sans MPPT…………………
54
4.4
Conclusion…………………………………………………………………………………
60
Conclusion générale…………………………………………………………………….
61
Bibliographique ………………………………………………………………………...
63
Annexe ………………………………………………………………………………….
65
4.1
II
Liste des tableaux
Tableau 1.1
Avantage et l'inconvénient d'une cellule photovoltaïque ………………………………..
7
Tableau 1.2
caractéristique électrique d'un module photovoltaïque SP 75 éventuelle ……………….
12
Tableau 2.1
Tableau 4.1
1 représente la variation de la valeur moyenne de la tension et du courant en fonction 27
de rapport cyclique ………………………………………………………………………
représente la variation de la valeur moyenne de la tension et du courant en fonction de 29
rapport cyclique ………………………………………………………………………….
La variation de la puissance para port la charge (sans MPPT) …………………………. 50
Tableau 4.2
La variation de la puissance para port la charge (avec MPPT) ………………………….
Tableau 2.2
IV
54
Liste des figures
Chapitre 1 : Etude du système photovoltaïque
Figure 1.1
schéma électrique d'une cellule photovoltaïque ………………………………………..
4
Figure 1.2
schéma d'une cellule photovoltaïque …………………………………………………...
5
Figure 1.3
Caractéristique de regroupement (Ns) cellule en série ………………………………..
6
Figure 1.4
Caractéristique d'un (Np) cellule en parallèle ………………………………………….
8
Figure 1.5
Module de cellule photovoltaïque idéal ………………………………………………..
9
Figure 1.6
Module de la cellule photovoltaïque réal ………………………………………………
10
Figure 1.7
cellule photovoltaïque a deux diodes …………………………………………………..
11
Figure 1.8
caractéristique de P= f(V) a fonction de température ………………………………….
16
Figure 1.9
caractéristique de I=f(V) a fonction de température …………………………………...
17
Figure 1.10
caractéristique I=f(v) a fonction de l'éclairement ……………………………………...
18
Figure 1.11
caractéristique P=f(v) a fonction de l'éclairement ……………………………………..
18
Chapitre 2 : Les convertisseurs statiques
Figure 2.1
les différents types de convertisseurs statiques ………………………………………... 20
Figure 2.2
Schéma de Principe d’un Onduleur Monophasé En Demi-Pont ………………………. 21
Figure 2.3
Schéma de Principe d’un Onduleur Monophasé En Pont ……………………………...
Figure 2.4
Schéma de Principe d’un Onduleur Triphasé En Pont ………………………………… 23
Figure 2.5
Le convertisseur boost …………………………………………………………………
24
Figure 2.6
Signaux typiques de convertisseur boost ………………………………………………
24
Figure 2.7
Convertisseur buck …………………………………………………………………….
25
Figure 2.8
Signaux typiques de convertisseur buck ………………………………………………
26
Figure 2.9
schéma de simulation de convertisseur Buck ………………………………………….
27
Figure 2.10
La tension aus borne de la charge ……………………………………………………...
28
Figure 2.11
la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge ……………………………...
28
Figure2.12
la valeur moyenne du courant aux bornes de la charge ………………………………..
29
Figure2.13
La tension aus bornes de la charge …………………………………………………….
30
Figure2.14
la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge ……………………………...
30
Figure2.15
la valeur moyenne du courant aux bornes de la charge ………………………………..
31
Figure 2.16
schéma bloc de simulation du convertisseur boost …………………………………….
31
Figure 2.17
La tension aux bornes d’entrée ………………………………………………………...
32
V
22
Figure 2.18
La valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge …………………………….. 32
Figure 2.19
La valeur moyenne de courant ………………………………………………………………
33
Chapitre 3: Les méthodes d’optimisation
Figure 3.1
Connexion directe entre un GPV et une charge ………………………………………..
34
Figure 3.2
Points de fonctionnement d'un GPV en connexion directe, en fonction de la charge …
35
Figure 3.3
Etage d'adaptation d'un GPV-charge …………………………………………………..
36
Figure 3.4
La caractéristique I-V, P-V et la trajectoire de PPM …………………………………..
37
Figure 3.5
Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque …………………………………….
38
Figure 3.6
Recherche et recouvrement du Point de Puissance Maximale ………………………… 39
Figure 3.7
Schéma de converge vers le PPM par P&O ………………………………………… 42
Figure 3.8
Algorithme de MPPT a base de la méthode P&O ……………………………………..
43
Figure 3.9
Trajectoire par Incrémentation de Conductance ………………………………………
45
Figure 3.10
Algorithme d’incrémentation de la conductance ………………………………………
45
Figure 3.11
Méthode contre réaction de la tension …………………………………………………
46
Figure 3.12
Méthode contre réaction de courants …………………………………………………..
47
Chapitre 4: Simulation d'un système photovoltaïque
Figure 4.1
schéma synoptique de système PV contrôlé par une commande MPPT ………………
49
Figure 4.2
Schéma block de la connexion directe d’un générateur PV ………………………….
50
Figure 4.3
La puissance, la tension et le courant produit par la GPV sans MPPT………..……….
51
Figure 4.4
schéma block d'un système photovoltaïque avec une commande MPPT ……………..
52
Figure 4.5
schéma block d'algorithme MPPT .................................................................................
53
Figure 4.6
schéma block de la commande MLI ………………………………………………….
53
Figure 4.7
Le courant générée par la charge et GPV ……………………………………………..
55
Figure 4.8
La tension générée par la charge et GPV ……………………………….……………..
55
Figure 4.9
La puissance générée par la charge et GPV …………………………………..………
56
Figure 4.10
La comparaison entre la puissance de GPV sans et avec MPPT …………………… ...
57
Figure 4.11
la tension en fonction de temps ………………………………………………………... 58
Figure 4.12
la tension de la charge en fonction de temps ………..………………………………..
Figure 4.13
la puissance en fonction de temps …………………………………………………….. 59
Figure 4.14
la puissance de la charge en fonction de temps ………………………………………
VI
58
59
Introduction générale
La plus grande partie de l’énergie consommée actuellement provient de l’utilisation des
combustibles fossiles comme le pétrole, le charbon, le gaz naturel ou encore l’énergie
nucléaire. ces ressources deviennent de plus en plus rares, pendant que les demandes
énergétiques du monde s’élèvent continuellement. Il est estimé que les réserves mondiales
seront épuisées vers 2030 si la consommation n’est pas radicalement modifiée, et au
maximum vers 2100 si des efforts sont produits sur la production et la consommation [1].
Etant donné que cette forme d’énergie couvre une grosse partie de la production
énergétique actuelle, il s’avère nécessaire de trouver une autre solution pour prendre le relais,
la contrainte imposée est d’utiliser une source d’énergie économique et peu polluante car la
protection de l’environnement est devenue un point important.
A ce sujet, Les énergies renouvelables, comme l’énergie solaire photovoltaïque, éolienne
ou hydraulique, … apparaissent comme des énergies inépuisables et facilement exploitables.
Si l’on prend l’exemple du soleil, une surface de 145000km² (4% de la surface des déserts
arides) de panneaux photovoltaïques (PV) suffirait à couvrir la totalité des besoins
énergétiques mondiaux [2].
Dans ce dernier cas, la conception, l’optimisation et la réalisation des systèmes
Photovoltaïques sont des problèmes d’actualité puisqu’ils conduisent sûrement à une
meilleure exploitation de l’énergie solaire. Pour une installation photovoltaïque, la variation
de l’éclairement ou de la charge induit une dégradation de la puissance fournie par le
générateur
photovoltaïque, en plus ce dernier ne fonctionne plus dans les conditions
optimums.
Dans ce contexte, de nombreux chercheurs se sont attachés à inventer des systèmes
permettant de récupérer toujours le maximum d’énergie : c’est le principe nommé maximum
power point tracker (MPPT) qui est l’objet principal de se mémoire.
Dans ce travail nous nous somme intéresses à l'étude et l'optimisation du fonctionnement
d'un système photovoltaïque, Ce mémoire est partagé en quatre chapitre :
Dans le premier chapitre
nous présentons une généralité sur la technologie
photovoltaïque. En commençant par des notions sur le rayonnement, Dans deuxième temps
nous montrons le principe de l'effet photovoltaïque, ensuite on va montrer l'influence de la
températeur et l'éclairement sur le rendement. Et nous finissons ce chapitre par la
modélisation du notre panneau.
Le deuxième chapitre présente les différents types des convertisseurs statiques utilisé dans
le système photovoltaïque et leur principe du fonctionnement.
Dans le troisième chapitre nous montrons le problème de la connexion direct entre le
générateur photovoltaïque et la charge et la
solution de ce problème,
ensuite nous
présentons les différents techniques pour suivre et optimiser la puissance maximale.
Dans le quatrième et dernier chapitre, nous présentons une simulation complète avec et
sans optimisation d'un
système photovoltaïque alimente une charge résistive, nous
terminerons ce travail par une conclusion générale.
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.1 Introduction
L'énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d'une partie du
rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d'énergie s'effectue par le biais
d'une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet
photovoltaïque. Ce chapitre présente les concepts dont la connaissance est nécessaire à la
compréhension du fonctionnement des cellules photovoltaïques constituées de semiconducteur en silicium.
On commencera par brève rappelle sur le principe de la conversion de l'énergie solaire en
énergie électrique. Nous
présenterons ensuite la modélisation de la chaîne de conversion
photovoltaïque puis décrirons les modèles mathématiques et nous
montrerons ensuite
l'influence de la température et l'éclairement sur le rendement. A la fin on termine par
conclusion.
1.2 L'énergie solaire
La distance de la terre au soleil est environ 150 million de kilomètres et la vitesse de la
lumière est d'un peu plus de 300000 km/h [3], les rayons du soleil mettent donc environ 8
minutes à nous parvenir. La constante solaire est la densité d'énergie solaire qui atteint la
frontière externe de l'atmosphère faisant face au soleil. Sa valeur est communément prise
égale à 1360W/m2. Au niveau du sol, la densité d'énergie solaire est réduit à 1000 W/ m2 à
cause de l'absorption dans l'atmosphère. Albert Einstein à découvert en travaillant sur l'effet
photoélectrique que la lumière n'avait pas qu'un caractère ondulatoire, mais que son énergie
est portée par des particules, les photons. L'énergie d'un photon étant donnée par la relation :
h : la constante de planck,
C : la vitesse de la lumière.
Ainsi, plus la longueur d'onde est courte, plus l'énergie du photon est grande [4].
Une façon commode d'exprimer cette énergie est:
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3
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Le soleil émet un rayonnement électromagnétique figure (1.1) compris dans une bande de
longueur d’onde variant de 0,22 à 10 microns ( m) [3]. L’énergie associée à ce rayonnement
solaire se décompose approximativement ainsi :
•
9% dans la bande des ultraviolets (<0,4 m),
•
47% dans la bande visible (0,4 à 0,8 m),
•
44% dans la bande des infrarouges (>0,8 m).
Irradiance
(w.m ,µ .m)
Figure 1.1 : Spectre d'irradiante solaire.
1.3 La cellule PV
Les cellules photovoltaïques ou les plaques solaires
sont des composants
optoélectroniques qui transforment directement la lumière solaire en électricité par un
processus appelé « effet photovoltaïque », a été découverte par E. Becquerel en 1839 [5].
Elles sont réalisées à l'aide de matériaux semi-conducteurs, c'est à dire ayant des propriétés
intermédiaires entre les conducteurs et les isolants.
La taille de chaque cellule va de quelques centimètres carrés jusqu' à 100 cm2 ou plus sa
forme est circulaire, carrée ou dérivée des deux géométries.
Les cellules se branchent en série, ce qui permet aux électrons générés par une cellule d'être
repris par la suivante. Le but est d'avoir une différence de potentiel normalement entre 6 et 24
V.la figure (1.2) suivante représente le schéma électrique d'un cellule photovoltaïque [6].
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4
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Rs
+
ICC
D
Rsh
V cellule
−
Figure 1.2: Schéma électrique d'une cellule photovoltaïque
Les résistances Rs et Rsh permettent de tenir en compte des pertes liées aux défauts de
fabrication .Rs représente les diverses résistances de contact et de connexion tandis que Rsh
caractérise les courants de fuite dus à diode et aux effets de bord de la jonction [7].
1.3.1 L'effet photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est basée sur le phénomène physique appelé effet
photovoltaïque qui consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette
cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en
fonction du matériau utilisé et de sa disposition ainsi que de la température de la cellule et du
vieillissement de la cellule [8]. La figure (1.3) illustre une cellule PV typique où sa
constitution
est
détaillée.
Les
performances
de
rendement
énergétique
atteintes
industriellement sont de 13 à 14 % pour les cellules à base de silicium monocristallin,11 à 12
% avec du silicium poly cristallin et enfin 7 à 8 % pour le silicium amorphe en films minces
[9].La photopile ou cellule solaire est l’élément de base d’un générateur photovoltaïque [10].
UKMO 2012
5
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Photone
Contacte avant Grille
Zone dopée N
déplacement
d'électron
V
I
Zone dopée P
Jonction PN
Figure 1.3 : Schéma d'une cellule photovoltaïque
1.3.2 Technologie d'une cellule photovoltaïque
Silicium monocristallin
Le silicium cristallin est actuellement l’option la plus populaire pour les cellules
commerciales, bien que beaucoup d’autres matériaux soient disponibles. Le terme « cristallin
» implique que tous les atomes dans le matériau PV actif font partie d’une structure cristalline
simple où il n’ya aucune perturbation dans les arrangements ordonnés des atomes.
Silicium poly cristallin
Il est composé de petits grains de silicium cristallin. Les cellules à base de silicium poly
cristallin sont moins efficaces que les cellules à base de silicium monocristallin. Les joints de
grains dans le silicium poly cristallin gênent l’écoulement des électrons et réduisent le
rendement de puissance de la cellule. L’efficacité de conversion PV pour une cellule à base de
silicium poly cristallin modèle commercial s’étend entre 10 et 14%.
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6
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Silicium amorphe (a-si)
Le silicium est déposé en couche mince sur une plaque de verre ou un autre support
souple. L'organisation irrégulière de ses atomes lui confère en partie une mauvaise semiconduction. Les cellules amorphes sont utilisées partout où une solution économique est
recherchée ou lorsque très peu d'électricité est nécessaire, par exemple pour l'alimentation des
montres, des calculatrices, ou des luminaires de secours. Elles se caractérisent par un fort
coefficient d'absorption, ce qui autorise de très faibles épaisseurs, de l'ordre du micron. Par
contre son rendement de conversion est faible (de 7 à 10 %) et les cellules ont tendance à se
dégrader plus rapidement sous la lumière [4].
Nouvelle technologie
On utilise de plus en plus de matériaux organiques dans le domaine de l’optoélectronique,
avec des perspectives d’électronique organique voire moléculaire, pour l’éclairage à l’aide de
diodes électroluminescentes organiques (OLED : Organic Light- Emitting Diode). Bien que
les optimisations des matériaux à mettre en œuvre ne soient pas les mêmes, le domaine du
photovoltaïque bénéficie depuis quelques années des avancées technologiques de
l’optoélectronique. Ainsi, bien que cette filière soit vraiment récente, les progrès annuels sont
spectaculaires. Les matériaux organiques, moléculaires ou polymériques, à base de carbone,
d’hydrogène et d’azote, sont particulièrement intéressants en termes d’abondance, de coût, de
poids et de mise en œuvre [11].
Le tableau (1.1) présente les avantages et les inconvénients pour les technologies les plus
utiliser d'une cellule photovoltaïque.
Type
Durée de vie
Silicium mono
Silicium poly
cristallin
Cristallin
35 ans
35 ans
Bon
Avantage
Amorphe
< 10 ans
rendement
en Souplesse Prix moins
Bon rendement en soleil
soleil direct (mois que élevé que les
direct
le monocristallin mais cristallins
plus que l'amorphe)
Bon rendement en diffus
Mauvais rendement en Mauvais rendement en Mauvais rendement en
Inconvénient
soleil
diffus
(temps soleil
nuageux...),prix élevé
diffus
(temps plein soleil.
nuageux...),prix élevé
Tableau 1.1: Avantage et inconvénient des cellules photovoltaïques
UKMO 2012
7
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.4 Regroupement des cellules
1.4.1 Regroupement en série
Une association de (Ns) cellule en série figure (1.4) permet d'augmenter la tension du
générateur photovoltaïque. Les cellules sont alors traversées par le même courant et la
caractéristique résultant du groupement série est obtenues par addition des tensions
élémentaires de chaque cellule. L'équation résume les caractéristique électriques d'une
association série de (Ns) cellules [11].
VcoNs: la somme des tensions en circuit ouvert de Ns cellules en série.
IccNs: courant de court circuit de Ns cellules en série.
Icc
1 cellule
NP cellule
cellule
Icc
Vco
Ns
0
Vco
Vsco
Figure 1.4: Caractéristique courant tension de Ns cellule en série
UKMO 2012
8
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.4.2 Regroupement en parallèle
Une association parallèle de (NP) cellule figure (1.5) est possible et permet d'accroitre le
courant
de sortie du générateur ainsi créé. Dans un groupement de cellules identiques
connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique
résultante du groupement est obtenue par addition des courants [12].
Avec:
IccNp: la somme des courants de cout circuit de (NP) cellule en parallèle
VcoNp: tension du circuit ouvert de (Np) cellules en parallèle
I
Np cellule
Icc.Np
Np cellule en parallèle
Icc Np
1cellule
cellule
Vco
Icc
0
Vco
V
Figure 1.5 : Caractéristique courant tension de (Np) cellule en parallèle
1.4.3 Regroupement (série et parallèle)
On utilise généralement ce type d’association pour en tirer une tension importante
puisque l’association en série des photopiles délivre une tension égale à la somme des
tensions individuelles et un courant égal à celui d’une seule cellule. La caractéristique d’un
groupement de deux modules solaires est représentée ci-dessous, ce qui peut être généralisé
sur une gamme de Ns modules solaires en série. Ce genre de groupement augmente le
courant.
Afin d’obtenir des puissances de quelques kW, sous une tension convenable, il est nécessaire
d’associer les modules en panneaux et de monter les panneaux en rangées de panneaux série
et parallèle pour former ce que l’on appelle un générateur photovoltaïque [7].
UKMO 2012
9
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.5 Modélisation d’une cellule photovoltaïque
1.5.1 Cellule photovoltaïque idéal
Une cellule photovoltaïque peut être décrite de manière simple comme une source idéale
de courant qui produit un courant IPh proportionnel à la puissance lumineuse incidente, en
parallèle avec une diode figure(1.6) qui correspond à l’aire de transition p-n de la cellule PV.
Après la loi de nœuds:
!
Id
Iph
V
Figure 1.6 : Modèle de cellule photovoltaïque idéal
Pour un générateur PV idéel, la tension aux bornes de la résistance est égale à celle aux
bornes de la diode :
"
La diode étant un élément non linéaire, sa caractéristique I-V est donnée par la relation :
#$
*$
#% &'() & ,
*+
,
-
Avec:
#% : Le courant de saturation inverse de la diode.
: la tension au borne de diode
.: =KT/q potentielle thermique
Donc la relation (1.7) sera :
#)/
UKMO 2012
*$
#% &'() & ,
*+
,
0
10
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.5.2
Cellule photovoltaïque réel
Le model photovoltaïque précédent ne rendait pas compte de tous les phénomènes
présents lors de la conversion d’énergie lumineuse. En effet, dans le cas réel, on observe une
perte de tension en sortie ainsi que des courants de fuite. On modélise donc cette perte de
tension par une résistance en série RS et les courants de fuite par une résistance en parallèle
RP [2].
I
Id
Rs
Ip
Iph
Rp
V
Figure 1.7 : Modèle de la cellule photovoltaïque réel
Donc on a :
* 1 23 #
&
,
2)
4 &'() &
* 1 # 23
,
*+
,
Avec:
I : Le courant fourni par la cellule
5
6
777
: Le photo-courant dépendant de l’éclairement (G).
4 : Le courant de saturation de la diode.
K : constante de Boltzmann (1,381 .10-23 joule/Kelvin).
q:charge d'électron =1,602 .10-19 C.
n: Le facteur de qualité de diode.
T: La température de cellule en kelvin.
Donc (1.11) sera:
* 1 # 23
,
4 &'() &
*+
UKMO 2012
,
* 1 23 #
&
,
2)
11
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.6 Module photovoltaïque Simens
Nous avons choisi une module Simens SP75 composé de 32 cellules en silicium
monocristallin connectées en sérer ayant une puissance maximal de 75w est considéré dans
les conditions standards G=1000w/m2, T=25°C. Pour réaliser la modélisation de ce module,
nous avons utilisé MATLAB comme outil de tests et de simulation.
Puissance maximale
pmax :
Tension a vide
Vco : 21.7 V
Courant de court circuit
Isc :
75 wc
4.8A
Tension au point de puissance maximale
Vmpp : 17 V
Courant au point de puissance maximale
Impp: 4.4A
45 ±2 °C
Noct
Coefficient de température :
TVco : -0.77v/°C
Tension à vide
TIsc: 2.6 ma / °C
Courant court circuit
Tableau 1.2 : Caractéristique électrique d'un module photovoltaïque SP75 éventuelle
Le courant de saturation de la diode est donné par la suite:
4
8
9:;<=
(1.15)
>?@ AB
F
CDE
Pour calculer I on considère Rp =inf donc Ip=0 dans ce cas, l'équation (1.11) devient:
4 <'() <G H3
IJK LM
NOP
F
F
Avec Rs dans le point Voc :
0
UKMO 2012
4&
1Q
.
, RS &
1Q
.
,
!
12
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Donc :
UK
23
N IV
UI
KW XYZ
(1.18)
[?\] ^_
` [a
Telle que:
23
UK
NIV
UIbcb
KW XYZ<
-
[?^] \
F
` [a
Toutes les constantes dans les équations ci-dessus peuvent être déterminées en utilisant les
données de fabricants de panneaux photovoltaïques.
La méthode choisie pour la simulation de ce modèle est la méthode de Newton Raphson qui
est décrit comme suit :
(dJ
Avec : *
e (N
e (N
Sd
0
*f%
f'(x) : Le dérivé de la fonction
xn : La présente itération.
xn+1 : L’itération suivante.
g
dJ
5
d
5 o
4 hRS &i
#3f
1Q
,
j .
k
* 1 #l 23
F
l *+
* 1 #l 23
23
n
#% <l *+F m'()
l *+
#l
#% <
5 opRg m 1 qr o
opRg n
ki : le coefficient de variation du courant en fonction de la température.
kv : le coefficient de variation du tension en fonction de la température.
UKMO 2012
13
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
Tref : la température de référence 298 k(25°C).
G : l'irradiation solaire.
#)/
j 1 sr o
opRg <
6
F
777
Le courant de saturation du T(ref) écrire :
4
t
i u
o d
, h'() &
, &
4 opRg &
jq
o
opRg
opRg
,k
On peut écrire l'équation (1.25):
4
5 1 sr o opRg
54 1 sv o opRg
RS &
,
j .
Pour la modélisation
w
ou schéma block on donne :
v
0
'() h
i o
js
& 1
Q
,
k
!
Telle que :
Nss : Nombre de module connecté en série (dans notre cas =1)
Npp : Nombre de module connecté en parallèle (dans notre cas =1)
NS : Nombre de cellule connecté en série.
UKMO 2012
14
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
A partir des équations (1.24-1.26-1.27) on peut donne le schéma block de :Iph , I0 et Im
Le courant Iph:
[G]
Ki
1000
[Ipv]
[T]
[dT]
Ipvn
Tref
Le courant I0:
Ki
Vocn
[dT]
Iscn
Kv
e
[Io]
u
[Vta]
[dT]
1
le courant Im:
[V]
Rs
[Npp]
[Nss]
e
[Ipv]
u
[Npp]
1
[Im]
[I]
[Nss]
[Io]
q/(n*k*Ns)
[Vta]
[T]
UKMO 2012
[Npp]
15
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.7 Influence de la température
L’équation de Boltzmann donne :
5
4 RS i
4xso , l’expérience montre que la
tension de circuit ouvert d’une cellule solaire diminue avec l’augmentation de la température
de la cellule [13,14].
Nous présentons ci-dessous les caractéristiques I-V et P-V (figure 1.8 et 1.9) d’un module
photovoltaïque
SP75 pour un niveau d’ensoleillement G donné et pour différentes
températures :
Pour la figure (1.8) Nous remarquons que le courant dépend de la température puisque le
courant augmente légèrement à mesure que la température augmente, on constate que
la
température influe négativement sur la tension de circuit ouvert. Quand la température augmente
la tension de circuit ouvert diminue. Et par contre la puissance maximale du générateur subit une
diminution lorsque la température augmente figure (1.9).
SP 75 Module photovoltaique
6
5
G=1000w/m2
Courant (A)
4
3
2
T=0°C
T=25°C
T=50°C
T=75°C
1
0
0
5
X: 17.35
Y: 0.009769
10
15
Tension (V)
X: 23.84
Y: 0.01203
20X: 19.54
25
Y: 0.0007647
Figure 1.8 : La caractéristique de I=f(V) en fonction de température
UKMO 2012
16
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
SP 75 Module photovoltaique
80
G=1000w/m2
70
Puissance (W)
60
50
40
30
20
T=0°C
T=25°C
T=50°C
T=75°C
10
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure 1.9 : La caractéristique de P= f(V) en fonction de température
1.8 Influence de l'éclairement
Le même travail comme précédente, nous avons fixé la température pour différents
éclairements figure (1.10 et 1.11).
pour la figure (1.10) on remarque que pour l'éclairement G=1000 w/m2 le courant Isc=4.8A
et pour G=800w/m2 le courant Isc=3.84A on peut voir que le courant subit une variation
importante, quand l'éclairement augmente le courant de court-circuit est augmente, mais par
contre la tension varie légèrement .Ce qui se traduit par une augmentation de la puissance,
lorsque l’éclairement est augmente figure (1.9).
.
UKMO 2012
17
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
SP 75 module photovoltaique
6
X: 0
Y: 4.8
5
X: 0
Y: 3.84
4
Courant (A)
T=25°C
X: 0
Y: 2.88
3
X: 0
Y: 1.92
G=200w/m2
2
G=400w/m2
X: 0
Y: 0.96
G=600w/m2
1
G=800w/m2
G=1000w/m2
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure 1.10 : La caractéristique I=f(v) en fonction de l'éclairement
SP 75 Module photovoltaique
80
70
T=25°C
Puissance (W)
60
50
40
30
G=200w/m2
G=400w/m2
20
G=600w/m2
G=800w/m2
10
G=1000w/m2
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure 1.11 : La caractéristique P=f(v) en fonction de l'éclairement
UKMO 2012
18
Chapitre 1
Etude du système photovoltaïque
1.10 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté les principales caractéristiques et les technologiques
des éléments constitutifs d’un générateur PV et nous avons montré comment augmenter le
courant ou la tension
d'un
générateur photovoltaïque ainsi nous avons montré bien
l'influence de la température et l'éclairement sur le rendement de la cellule, et on constate que
la puissance ne déponde pas seulement de la température mais déponde aussi de l’éclairement.
UKMO 2012
19
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
2.1 Introduction
Les convertisseurs sont des appareils servent à transformer la tension continue fournie par
les panneaux ou les batteries pour l'adapter à des récepteurs fonctionnant en une tension
continue différente ou une tension alternative.
L’étude du convertisseur est intéressante dans la mesure où il est utilisé dans la plupart des
nouveaux types de sources de production d’énergie dispersée connectée au réseau (éolienne,
photovoltaïque, pile à combustible…).
Source continue
Hacheur
(=)
R cepteur
continue
Onduleur
Redresseur
Source alternative
Gradateur
(~)
R cepteur
alternative(~)
Figure 2.1 : les différents types de convertisseurs statique
Dans ce chapitre nous présentons les déférents types des convertisseurs statiques qu’on
peut utiliser dans le système photovoltaïque. Premièrement on commence
par les
convertisseurs (DC-AC) et sont déférents type, et en termine par les convertisseurs (DC-DC)
[15].
2.2 Les onduleurs
L’onduleur est un convertisseur statique DC/AC de haute performance il convertit la
tension continue, en tension alternative contrôlée de façon très précise. La source de tension
continue soit un aérogénérateur ou des panneaux solaires.
La commande de l'onduleur est basée sur la prédiction de la tension de sortie d’un pas en
avant que nous appellerons « Dead beat control » par cette commande, la tension de sortie de
l’onduleur est forcée de suivre une référence sinusoïdale échantillonnée pour la production à
la sortie du filtre une onde proche d’une sinusoïde avec un taux de distorsion harmonique très
réduit.
UKMO 2012
20
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
2.2.1 Principe de fonctionnement d’un onduleur
Un onduleur est un dispositif électronique assurant la conversion statique d’une
tension/courant continu en tension /courant alternatif. Il est dit autonome s’il assure de lui
même sa fréquence et sa forme d’onde .Deux types d’onduleurs sont donc utilisés pour
assurer une telle conversion
Onduleur Monophasé.
Onduleur Triphasé.
2.2.2 Onduleur Monophasé
Ce type d’onduleur délivrant en sa sortie une tension alternative
monophasée, est
généralement destinée aux alimentations de secours. Deux classes d’onduleurs monophasés
sont à distinguer, suivant leur topologie.
2.2.2.1 Onduleur monophasé en demi-pont
.
Le schéma de principe d’un tel onduleur monté en demi-pont est montré sur la figure (2.2).
S1
D1
.
E/2
Charge
Vo(t)
.
0
S2
D2
.
E/2
Figure 2.2: Schéma de Principe d’un Onduleur Monophasé En Demi-pont.
Il est constitué principalement de deux interrupteurs de puissance notés S1 et S2 à
commande complémentaire .La durée de conduction de chacun des interrupteurs est alors
d’un demi cycle (180°) correspondant à la fréquence du signal de sortie requis.
Lors de la fermeture de l’interrupteur S1, la tension aux bornes de la charge serait donc de
+ E/2, et prend la valeur – E/2 quand le second interrupteur, S2 est fermé
UKMO 2012
21
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
La conduction simultanée des deux interrupteurs est évitée par l’élaboration d’une
commande adéquate qui tient compte des différentes caractéristiques des imperfections de ces
interrupteurs de puissance (temps de montée tr, temps de descente tf et temps de stockage ts).
Les diodes D1. D2, dites de récupération, assurent la conduction d’un courant négatif en
cas de déphasage de ce dernier par rapport à la tension aux bornes de la charge.
2.2.2.2 Onduleur monophasé en pont (Pont H)
L’onduleur en pont est représenté en figure (2.3) il comporte quatre interrupteurs de
puissance désignée par S1, S2, S3 et S4 quand les interrupteurs S1 et S2, sont fermés
simultanément la tension imposée aux bornes de la charge prend la valeur + E, et de –E lors
de la fermeture simultanée des deux autres interrupteurs S3 et S4.
Deux interrupteurs du même bras ne peuvent pas conduire simultanément, à cause d’un
.
.
court-circuit de la source de tension continue.
S1
S3
.
D3
.
D1
Charge
E
.
.
Vo(t)
S4
S2
.
D2
.
D4
Figure 2.3 : Schéma de Principe d’un Onduleur Monophasé En Pont.
2.2.3 Onduleur triphasé
Ce type d’onduleur est généralement recommandé pour des applications de grande
puissance .La structure de tel convertisseur se fait par l’association, en parallèle, de trois
onduleurs monophasés en demi pont (ou en pont) donnant trois tensions de sortie déphasées
de 120° degrés, l’une par rapport à l’autre.
UKMO 2012
22
.
0
.
v
.
u
S3
S4
w
.
.
S5
.
S1
E
.
.
Les convertisseurs statiques
.
Chapitre 2
S2
S6
.
.
.
E
Figure 2.4: Schéma de Principe d’un Onduleur Triphasé En Pont
Figure (2.4) illustre la topologie d’un onduleur triphasé à six interrupteurs de
puissance. Le
décalage entre les signaux de commande est de 60° [16].
2.3 Le convertisseurs DC-DC
Le hacheur est un convertisseur continue/continue permettant de convertir une énergie
continue à un niveau donné de tension (ou de courant) en une énergie continue à un autre niveau
de tension (ou de courant). Son utilisation s’avère nécessaire pour stocker l’énergie
photovoltaïque dans des batteries, ou pour alimenter une charge continue le schéma équivalent du
hacheur se représente selon la figure ci dessous : Deux topologies de basse de circuit de
conversion (DC/DC) seront décrits dans le paragraphe suivant [17].
2.3.1 Le convertisseurs BOOST
Le convertisseur boost est connu par le nom d'élévateur de tension peut être représenté
par le circuit de la figure (2.5).
C’est un convertisseur direct DC–DC. La source d'entrée est de type courant continu (inductance en
série avec une source de tension) et la charge de sortie est de type tension continue (condensateur en
parallèle avec la charge résistive). L'interrupteur K1 peut être remplacé par un transistor puisque le
courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à
l'amorçage).
UKMO 2012
23
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
L
K2
Ve
K1
C
R
Vt
Vs
Figure 2.5 : Le convertisseur boost
(2.1)
Figure 2.6: Signaux typiques de convertisseur boost
UKMO 2012
24
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Fonctionnement
L'interrupteur K1 est fermé pendant la fraction T de la période de découpage T. La
source d'entrée fournit l'énergie à la charge R au travers de l'inductance L.
Lors du blocage du transistor, la diode K2 assure la continuité du courant dans l'inductance.
L'énergie emmagasinée dans cette inductance est alors déchargée dans le condensateur et la
résistance de la charge.
Les formes d'ondes en conduction continue sont représentées à la figure (2.6). En régime permanent, la
valeur moyenne de la tension aux bornes de l'inductance est nulle, ce qui impose la relation suivante :
(2.2)
(2.3)
2.3.2 Convertisseur Buck
Un convertisseur Buck, ou hacheur série, est un appareil qui convertit une tension
continue en une autre tension continue de plus faible valeur.
Hacheur de type BUCK, buck chopper.
K2
L
Ve
C
R
Vs
K1
Figure 2.7: Convertisseur buck
Le hacheur série est un convertisseur direct DC–DC, La source d'entrée est de type
tension continue et la charge de sortie continue de type source de courant. L'interrupteur K1
peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les
commutations doivent être commandées (au blocage et à l'amorçage).
Fonctionnement
L'interrupteur K1 est fermé pendant la fraction T de la période de découpage T. La source
d'entrée fournit l'énergie à la charge R au travers de l'inductance L.
UKMO 2012
25
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Lors du blocage du transistor, la diode K2 assure la continuité du courant dans l'inductance.
L'énergie emmagasinée dans cette inductance est alors déchargée dans le condensateur et la
résistance de charge.
Les formes d'ondes en conduction continue sont représentées à la figure (2.8). En régime
permanent, la Valeur moyenne de la tension aux bornes de l'inductance est nulle. La tension
de sortie est donnée par la relation suivante :
(2.4)
Figure 2.8: Signaux typiques de convertisseur buck
2.4 Avantage de convertisseur BOOST
Malgré le rendement élevé du convertisseur buck dans les systèmes avec des sources de
puissance conventionnelles, le convertisseur boost peut être plus approprié aux systèmes
photovoltaïques avec le suiveur du point de puissance maximale (MPPT) puisque le
convertisseur fonctionne au mode de courant continu extrayant autant de puissance que
possible à partir des cellules solaires. Par conséquent le rendement énergétique du
convertisseur boost peut être plus grand que le convertisseur buck. Le convertisseur boost est
généralement employé pour obtenir une tension plus élevée de sortie, tandis que le
convertisseur buck est employé pour abaisser la tension de sortie [18].
UKMO 2012
26
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
2.5 Simulation du l’ hacheur
Pour montrer le rôle des convertisseurs (boost-bock) nous avons utilisé logiciel Matlab
pour la simulation et nous prenons (E=24V, L=1H, R=30 ).
2.5.1 hacheur série
Scope2
Pulse
Generator
+
i
-
g
m
a
k
+
i
-
Current Measurement
DC Voltage Source
+
i
-
Current Measurement1 Gto1
Current Measurement2 Series RLC Branch
+
v
-
In
Mean
Voltage Measurement
Scope
Mean Value
Diode1
In
Mean
Scope3
Mean Value1
Figure 2.9: schéma de simulation de convertisseur Buck
a) Charge résistive R
Le tableau ci-dessous représente la variation de la valeur moyenne de la tension et du courant
en fonction de rapport cyclique :
0.20
0.30
0.40
0.50
UC moy(V)
4.86
7 .27
9.67
12.07
IC moy(A)
0.16
0.24
0.32
0.40
Tableau 2.1: la variation de la valeur moyenne de la tension et du courant en fonction de
rapport cyclique.
UKMO 2012
27
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Uc
25
tension(v)
20
15
10
5
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
temp(t)
Figure 2.10 : La tension aux bornes de la charge.
Ucmoy
14
12
courant(A)
10
8
6
4
2
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
temp(t)
Figure 2.11: la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge.
UKMO 2012
28
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Icmoy
0.45
0.4
0.35
courant(A )
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
temp(t)
Figure 2.12 : la valeur moyenne du courant aux bornes de la charge.
b) Charge résistive R-L
Le tableau ci-dessous représente la variation de la valeur moyenne de la tension et du
courant en fonction de rapport cyclique :
0.20
0.30
0.40
0.50
UCmoy(V)
4.806
7 .203
9.602
12.00
ICmoy(A)
0.16
0.240
0.32
0.40
Tableau (2.2): la variation de la valeur moyenne de la tension et du courant en fonction de rapport
cyclique.
UKMO 2012
29
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
La tension Uc
25
20
T ension(v)
15
10
5
0
-5
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01 0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure 2.13 : La tension aux bornes de la charge.
La tension Ucmoy
15
Tension(V)
10
5
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure 2.14: la valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge
UKMO 2012
30
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Le courant Icmoy
0.5
0.45
0.4
C
ourant(A)
0.35
0.3
0.25
0.2
0.15
0.1
0.05
0
0
0.05
0.1
0.15
0.2
Temps(s)
0.25
0.3
0.35
0.4
Figure 2.15 : la valeur moyenne du courant aux bornes de la charge.
La tension de sortie du hacheur n’est pas continue mais toujours positive. Lorsque la
période est assez faible (fréquence de 100 à 1000 Hz) la charge ne « voit » pas les créneaux
mais la valeur moyenne de la tension.
On remarque quelle que soit la nature de la charge, on aura
Le hacheur
série est bien abaisseur de tension (hacheur dévolteur).
2.5.2 Hacheur parallèle
+
i
-
+
ipv
i
-
ipv1
L
R
+
v
-
vpv
C
Rs
v
+
-
C1
DC Voltage Source
In
Pulse
Generator
Mean
I
Mean Value
In
Mean
V
Mean Value1
Figure 2.16: schéma bloc de simulation du convertisseur boost
UKMO 2012
31
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Uc
25
Tonsion(V)
24.5
24
23.5
23
0
0.002
0.004
0.006
Temp(T)
0.008
0.01
Figure 2.17 : La tension aux bornes de l'entrée
Ucmoy
70
60
T o n s io n (V )
50
40
30
20
10
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temp(T)
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure 2.18 : La valeur moyenne de la tension aux bornes de la charge
UKMO 2012
32
Chapitre 2
Les convertisseurs statiques
Icmoy
1.4
1.2
c o u ra n t(A )
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temp(T)
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure 2.19 : La valeur moyenne du courant
On remarque que la tension de sortie ne pas le même que l'entrée ce qui exprime le rôle
de convertisseur élévateur (boost).
2.6 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté les caractéristiques électriques des convertisseurs
statiques (convertisseur DC-DC/DC-AC).nous avons montré par simulation que la valeur
moyenne de la tension de sortie peut être ajustée en jouant sur la valeur du rapport cyclique.
Nous avons basé sur l’étude des convertisseurs du courant continu (boost-buck) pour le but
d'utiliser dans le chapitre suivante.
UKMO 2012
33
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
3.1 Introduction
Le coût élevé des générateurs photovoltaïques peut justifier l’adjonction d’un
appareillage annexe, même sophistiqué, permettant de gérer au mieux l’énergie disponible. En
particulier, sur la caractéristique courant-tension du générateur (qui dépend des conditions
d’éclairement, de température, de vieillissement) il existe un point de fonctionnement où la
puissance débitée est maximale.
L’optimisation consiste à réaliser ce point en permanence en agissant de façon
automatique sur la charge vue par le générateur. Cette adaptation de charge, dont le principe
est maintenant classique, s’effectue en général à l’aide d’un convertisseur statique dont les
pertes doivent être aussi faibles que possible et qui peut, par ailleurs, assurer une fonction de
mise en forme d’une grandeur de sortie (conversion continu-alternatif ou continu-continu
avec modification de tension par exemple).
Dans ce chapitre on va étudier
les déférents technique
de
suivre le point de
fonctionnement d'un générateur photovoltaïque, d'abord on voir la problématique de la
connexion
direct entre le GPV et la charge
méthodes (directes et indirectes)
et en suite nous présentons les déférents
pour optimiser la puissance et on terminera par une
conclusion.
3.2 Connexion direct entre la source et la charge
Dans le cas d’une connexion directe qui est finalement aujourd’hui l’utilisation terrestre
la plus répandue de l’énergie solaire, le point de fonctionnement du GPV dépend de
l’impédance de la charge à laquelle il est connecté [19]. Ce choix est principalement lié à la
simplicité, la fiabilité et le faible coût figure (3.1)
Diode anti retour
Puissance
charge
Figure 3.1 : Connexion directe entre un GPV et une charge.
UKMO 2012
34
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
L'inconvénient de ce type, la puissance extraite d’un GPV connectée directement à une
application est souvent très éloignée du maximum de puissance que peut délivrer le GPV,
comme l’illustre la figure (3.2).
Figure 3.2 : Points de fonctionnement d'un GPV en connexion directe, en fonction de la charge.
Comme le montre dans la figure (3.2), un GPV peut être connecté directement à trois
types de charges :
- une charge de type source de tension continue,
- une charge de type source de courant continue,
- une charge purement résistive.
Comme illustrer précédemment il ya trois points de fonctionnement A, B, C respectifs
peuvent être identifiés fournissant une puissance PA, PB et PC. Ces cas de figures montrent que
le GPV est mal exploité et ne fournit pas la puissance maximale [20].
UKMO 2012
35
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
3.3 Le fonctionnement optimal du générateur photovoltaïque
La conception de système PV optimiser est par nature difficile. en effet, coté source ,pour
générateur PV , la production de puissance varie fortement en fonction de l'éclairement de la
température ,mais aussi du vieillissement global du système .coté charge , que ce soit de
nature continue (DC) ,ou bien alternative (AC), comme le réseau électrique ,chacune a son
comportement propre qui peut être aléatoire .pour que le générateur fonctionne le plus
souvent possible dans son régime optimale ,la solution communément adoptée est alors
d'introduire un convertisseur statique figure (3.3) qui jouera le rôle d'adaptateur source –
charge [21 ,22].
Adaptateure
I1
Ve
I2
Convertisseur V
statique
Vs
Charge
DC
GPV
GPV
Figure 3.3 : Etage d'adaptation d'un GPV-charge
Si on prend l’exemple du convertisseur DC-DC (élévateur), la tension et le courant de sortie
de convertisseur en fonction du rapport cyclique de sortie écrire par les relations:
Aussi, le rapport cyclique
s’écrit en fonction des résistances Rpv et RS:
=1-
UKMO 2012
36
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
Puisque le rapport
est inférieur à 1 (
< 1), le convertisseur ne joue le rôle d’un élévateur
que si la charge RS remplit la condition suivante:
Dans les conditions optimales et pour une charge RS donnée, la résistance interne du panneau
( Rpv = Ropt ) et le rapport cyclique (
=
opt )
obéissent donc à l’équation:
3.4 Principe de fonctionnement de MPPT
Un MPPT, de l'anglais « Maximum Power Point Tracking » est un principe permettant de
suivre, comme son nom l'indique, le point de puissance maximale d'un générateur électrique
non linéaire. En conséquence, pour un même éclairement, la puissance délivrée sera différente
selon la charge. Un contrôleur MPPT permet donc de piloter le convertisseur statique reliant
la charge (une batterie par exemple) et le panneau photovoltaïque de manière à fournir en
permanence le maximum de puissance à la charge chaque instant. La figure (3.4) représente
la trajectoire du point de puissance maximale produite par le générateur.
sp75 Module photovoltaique
sp75 Module photovoltaique
80
6
T=25°C
1000W/m2
70
1000W/m2
5
800W/m2
50
600W/m
40
400W/m
2
30
600W/m2
3
400W/m2
2
200W/m2
20
800W/m2
4
2
Courant (A)
Puissance (W)
60
10
0
T=25°C
200W/m2
1
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
0
0
5
10
15
Tension (V)
20
25
Figure 3.4 : La caractéristique I-V, P-V et la trajectoire de PPM
La Figure (3.5) présente le schéma de principe d’un module photovoltaïque doté d’un
étage d’adaptation DC-DC entre le GPV et la charge de sortie. Cette structure correspond à un
système plus communément appelé système autonome. Il permet le plus souvent d’alimenter
une batterie servant de stocke l’énergie pour une charge qui ne supporte pas les fluctuations
de tension. Cet étage d’adaptation dispose d’une commande MPPT (Maximum Power Point
UKMO 2012
37
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
Tracking) qui lui permet de rechercher le PPM que peut fournir un panneau solaire
photovoltaïque. L’algorithme de recherche MPPT peut être plus ou moins complexe en
fonction du type d’implantation choisi et des performances recherchées. Cependant au final,
tous les algorithmes performants doivent jouer sur la variation du rapport cyclique du
convertisseur de puissance associé [4].
I1
V1
I2
V2
Rapport
GPV
Figure 3.5 : Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque.
pour assurer le fonctionnement d'un GPV a son point de puissance maximale (PPM),des
contrôleur MPPT sont utilisés ,ces contrôleurs sont destinés a minimiser l'erreur entre la
Puissance de fonctionnement et puissance maximale de référence variable en fonction des
conditions climatiques baser sur des méthode optimale (voir la suite)[21].
3.5 Gestion de la MPPT
La figure (3.6) illustre trois cas de perturbations. Suivant le type de perturbation, le point
de fonctionnement bascule du point de puissance maximal PPM1 vers un nouveau point P1 de
fonctionnement plus ou moins éloigné de l’optimum.
Dans ce cas est pour une variation d’ensoleillement il suffit de réajuster la valeur du
rapport cyclique pour converger vers le nouveau point de puissance maximum PPM2. Dans le
cas b pour une variation de charge on peut également constater une modification du point de
fonctionnement qui peut retrouver une nouvelle position optimale grâce à l’action d’une
commande. Enfin
UKMO 2012
dans le dernier cas c de variation de point de fonctionnement peut se
38
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
produire lié aux variations de température de fonctionnement du GPV .Bien qu’il faut
également agir au niveau de la commande [23].
Charge: constante
T:constante
L'éclairement: variable
PPV(w)
Charge: variable
T:constante
L'éclairement: constante
Ppv(w)
Caractéristique
Caractéristique
PPM1
de la charge
PPM1
la variation
de !
la charge
la variation
PPM2
de
P1
variation
P1
E2
variation de
de la
l'éclairement
charge
E1
VPV(v)
VPV(v)
(a)
(b)
Charge: constante
T: variable
L'éclairement: constante
PPV(w)
Caractéristique de
la variation
de !
PPM1
la charge
PPM2
P1
La variation de
E1
E1
T2
T1
la Température
VPV(v)
(c)
Figure 3.6 : Recherche et recouvrement du Point de Puissance Maximale a) suite à une variation
d'éclairement, b) suite à une variation de charge, c) suite à une variation de température
UKMO 2012
39
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
3.6 Classification de l'algorithme de suiveur la puissance max
La classification des algorithmes du suiveur peut être basée sur la fonction des techniques
ou des stratégies de commande utilisées. Ainsi, deux catégories peuvent être présentées:
méthodes directes et indirectes.
3.6.1 Les méthodes indirectes
Les méthodes indirectes utilisent des bases de données regroupant les caractéristiques des
panneaux photovoltaïques (PV) dans différentes conditions climatiques (température,
ensoleillement…) mais aussi des équations mathématiques empiriques permettant de
déterminer le point de puissance maximum. Ces méthodes sont souvent propres à chaque type
de panneau et donc difficile à généraliser : la méthode d’ajustement de courbe, la méthode «
look-up table », la méthode de la tension de circuit ouvert du générateur, la méthode de court
circuit.
3.6.1.1 La méthode de la tension de circuit ouvert du générateur
Cette méthode, est basée sur la tension du générateur PV au point de puissance maximale
qui est approximativement proportionnelle à sa tension à circuit ouvert Voc. La constante
proportionnelle k1, dépend de la technologie de cellules photovoltaïques, du facteur de forme
et des conditions météorologiques.
"#$$
K1=
"%&
'() *
(3.8)
La tension de circuit ouvert du générateur PV est mesurée et stockée en arrêtant le système,
cette opération s’effectuant à une certaine fréquence. Le MPP est calculé suivant l’équation
(3.1), et la tension de fonctionnement est ajustée sur le point de puissance maximale. Bien que
cette méthode soit apparemment simple, il est difficile de choisir une valeur optimale de k1.
Cette méthode souffre donc d’inexactitude mais présente l’avantage d’être simple et à bas
prix. Aussi, l’interruption de service à la limite des systèmes avec stockage où la déconnexion
des panneaux est « transparente » pour l’utilisateur.
UKMO 2012
40
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
3.6.1.2 La méthode de court-circuit
Cette méthode est similaire à la précédente et est basée sur la proportionnalité existant
entre le courant de court circuit et le courant au point de puissance maximale (équation 3.9):
K2 =
+,-+ .
/ '() *
(3.9)
Cette méthode présente les mêmes avantages et inconvénients que ceux de la méthode de la
tension de circuit ouvert.
3.6.2 Les méthodes directes
Les méthodes directes sont des méthodes qui utilisent les mesures de tension et de courant
des panneaux et dont l’algorithme est basé sur la variation de ces mesures.
L’avantage de ces algorithmes est qu’ils ne nécessitent pas une connaissance préalable des
caractéristiques des panneaux PV. Parmi ces méthodes, on retrouve la méthode de
différenciation, la méthode Perturbe & Observe (P&O), l’incrément de conductance…
3.6.2.1 La méthode Perturbe & Observe (P&O)
Le principe des commandes MPPT de type P&O consiste à perturber la tension VPV
d’une faible amplitude autour de sa valeur initiale et d’analyser le comportement de la
variation de puissance PPV qui en résulte Ainsi, comme l’illustre la figure (3.7), on peut
déduire que si une incrémentation positive de la tension VPV engendre un accroissement de la
puissance PPV, cela signifie que le point de fonctionnement se trouve à gauche du PPM.
Si au contraire, la puissance décroît, cela implique que le système a dépassé le PPM. Un
raisonnement similaire peut être effectué lorsque la tension décroît. A partir de ces diverses
analyses sur les conséquences d’une variation de tension sur la caractéristique PPV(VPV), il est
alors facile de situer le point de fonctionnement par rapport au PPM, et de faire converger ce
dernier vers le maximum de puissance à travers un ordre de commande.
UKMO 2012
41
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
Ppv
PPM
Le système converge de PPM
Le système s'éloigne de PPM
p<0
Puissance(w)
p>0
v>0
v<0
Vpv
Figure 3.7: Schéma de converge vers le PPM par P&O
.
La figure (3.8) représente l’algorithme classique associé à une commande MPPT de type
P&O, où l’évolution de la puissance est analysée après chaque perturbation de tension. Pour
ce type de commande, deux capteurs (courant et tension du GPV) sont nécessaires pour
déterminer la puissance du PV à chaque instant [24].
UKMO 2012
42
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
Oui
Non
Non
Oui
!"
Non
0 !"
0
Oui
0
Non
0 !"
0
Oui
0
Figure 3.8 : Algorithme de MPPT a base de la méthode P&O
Telle que :
Ppvn:la nouvelle puissance
Ppvn-1:l'enceint puissance dans le temps (t-1)
01
2314
03
789:
231456
(3.10)
789:56
La méthode P&O est aujourd’hui largement utilisée de part sa facilité d’implémentation,
cependant elle présente quelques problèmes liés aux oscillations autour du PPM qu’elle
engendre en régime établi car la procédure de recherche du PPM doit être répétée
périodiquement, obligeant le système à osciller en permanence autour du PPM, une fois ce
dernier atteint. Ces oscillations peuvent être minimisées en réduisant la valeur de la variable
de perturbation. Cependant, une faible valeur d’incrément ralenti la recherche du PPM, il faut
UKMO 2012
43
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
donc trouver un compromis entre la précision et la rapidité. Ce qui rend cette commande
difficile à optimiser [24].
3.6.2.2 La méthode incrémentation de la conductance
L'avantage de cet algorithme est la vitesse de recherche du point de puissance
maximale quand les conditions atmosphériques changent rapidement ; la description de
l'algorithme sera présentée par la suite [25].
La puissance produite par le générateur PV peut être exprimé par:
789
89
89
La conductance et l'incrémentation de la conductance peuvent être identifiées en dérivant
l'équation par rapport à la tension Ppv:
6 ;$<=
><=
" ;"<=
"<=
?
;><=
;"<=
(3.13)
Ainsi on a noté avec G la conductance et avec G l'incrément de la conductance :
@
0@
><=
"<=
;><=
;"<=
UKMO 2012
44
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
;$<=
Ppv
"<=
;$<=
"<=
>0
=0
PPM
;$<=
"<=
<0
Puissance(w)
Vpv
Figure 3.9 : Trajectoire par Incrémentation de Conductance
0
0
Non
0
Oui
"
Oui
0A3 "
0><= 5><=
0"<= "<=
Non
Oui
Non
0><= 5><=
!
0"<= "<=
0
Oui
0A3 !"
0
0
Oui
0
# $
Figure 3.10 : Algorithme d’incrémentation de la conductance
UKMO 2012
45
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
On peut écrire aussi:
;$<=
;"<=
;$<=
;"<=
B : Le point de fonctionnement est à gauche du PPM.
0
*B
: Le point de fonctionnement sur le PPM.
: Le point de fonctionnement est droit de PPM.
3.6.2.3 Méthode à contre réaction de la tension
Ce génère de mécanisme repose sur le contrôle de la tension de fonctionnement des
panneaux par comparaison de cette tension avec une référence [26] .Cela générer une tension
d'erreur qui fait varier le rapport cyclique de la MLI de la commande a fin d'annuler cette
erreur comme le montre la figure (3.11):
Charge
Vpv
+
-
%
+
&
Vre
Figure 3.11 : Méthode contre réaction de la tension
Les inconvénients de cette configuration sont les mêmes que pour la méthode de
connexion directe (générateur PV + charge de profil). C'est-à-dire, le système ne peut pas
s'adapter aux conditions variables d'environnement, telles que l'irradiante et la température.
Les avantages de cette technique
c'est une technique simple, économique et emploie
seulement une commande de boucle de feedback [28].
UKMO 2012
46
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
3.6.2.4 Méthode contre réaction de courants
Dans toutes les méthodes (MPPT) présentées jusqu'ici, une mesure de Ipv et Vpv a été
employée pour obtenir des information sur la puissance de sortie du panneau. Cette nouvelle
méthode (MPPT) utiliser seulement une mesure de courant pour obtenir l'information sur le
point opérationnel et actuel du système figure (3.13).
L'avantage de cette méthode est qu'elle est simple, contrairement aux méthodes mentionnées
précédemment [12].
I1
I2
Capteur du
courant
Contrôleur
MPP
Figure 3.12 : Méthode contre réaction de courants
3.7 Conclusion
A travers de ce chapitre, nous avons montré les limites de la connexion directe et la
caractéristique I-V d'un panneau photovoltaïque n'est pas linéaire.
Nous avons vu également les algorithmes MPPT ont été couverts en détail. Comme ont été
faits connaître, il y a beaucoup de manières à distinguer et de grouper les techniques pour
suivre le MPP au générateur PV. Cependant, en ce chapitre, les techniques directes et
indirectes étaient choisies et développées en détail.
Les techniques indirectes ont le dispositif particulier de l'obtention de la puissance maximale
soit l’ensoleillement, soit la température. Ils doivent mesurer une partie de la tension, du
courant du générateur PV, ou employer des données empiriques par des expressions
UKMO 2012
47
Chapitre 3
Les méthodes d'optimisation
mathématiques d'approximation numérique pour estimer le MPP du générateur spécifique de
PV installé dans le système. Bien que, dans beaucoup de cas, ils puissent être simples et peu
coûteux, ils ne sont pas totalement souples.
D'autre part, la technique directe offre les avantages suivants: ni une grande base de données,
ni une grande mémoire nécessaire pour calculer le MPP; elle est totalement souple en ce qui
concerne le profil de charge, le suiveur de MPP est indépendant de la variation des paramètres
du générateur PV.
UKMO 2012
48
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
4.1 Introduction
Dans ce chapitre, notre travail consiste à simuler un système PV de moyenne puissance
(100 W) fonctionnant en régime continu dans les conditions optimales indépendamment des
conditions météorologiques et de la variation de la charge.
Plus particulièrement, nous prenons un système photovoltaïque figure (4.1), générateur PV
SP75, convertisseur d’énergie DC-DC (élévateur avec CS = 200 F , CE = 2200 F , L=300 H , f
=10kHz)
et une charge résistive RS = 50 adapté par une commande MPPT travaillant à une
fréquence de 10 kHz[27,28].
Figure 4.1: Schéma synoptique du système PV contrôlé par une commande MPPT
4.2 Simulation d'un système photovoltaïque
Pour réaliser cette simulation, nous avons utilisé le logiciel MATLAB comme outil de
tests et de simulation.
Simulation sans MPPT (connexion direct)
La connexion directe du panneau solaire figure (4.2)
reste actuellement le mode de
fonctionnement le moins cher. L'inconvénient majeur de ce fonctionnement est la dépendance
directe de la puissance fournie par le générateur envers l'éclairement. On veut observer la
puissance maximale produit par le générateur photovoltaïque, on utilise une résistance
variable comme une charge tableau (4.1).
UKMO 2012
49
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
Figure 4.2 : schéma block de connexion directe d'un générateur photovoltaïque
Résistance (ohm)
200
50
30
10
8
6
3.86
Courant(A)
0.10
0.42
0.706
2.022
2.06
3.19
4.4
Tension(V)
21.59
21.38
21.19
20.23
19.85
19.17
16.99
Puissance(W)
2.33
9.14
14.97
40.92
49.26
61.27
74.81
Tableau4.1: la variation de la puissance para port la charge (sans MPPT)
A partie de ce tableau en remarque que :
•
pour une augmentation de la résistance de charge R le courant tend vers la valeur '0' et
la tension tend vers la valeur de Voc .
•
pour une diminution de R on trouve augmentation de la puissance.
•
pour une augmentation de R on trouve diminution de la puissance. pour la puissance
max en trouve Ropt=3.86( ).
UKMO 2012
50
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
La figure (4.3) montre la puissance et le courant et la tension du module lorsque le
système photovoltaïque relié au module solaire photovoltaïque sans MPPT, La puissance
maximale 9.14w qui est obtenue par le système dans les conditions G=1000w/m^2 et
T=25°C. Comme nous avons observé dans le profil le courant est presque nul par ce que la
charge est il grande et la tension égale a la tension de court circuit, la puissance est très faible
par rapport à la puissance nominale du système.
Le courante et la tension et la puissance de GPV
C ourant(A )
1
0
-1
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps(s)
0.02
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps(s)
0.02
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps
0.02
T ens ion(V )
23
22
21
20
P uis s anc e(w )
11
10
9
8
Figure 4.3 : La puissance, la tension et le courant produit par le GPV sans MPPT
Simulation avec MPPT
Comme nous avons montré dans le chapitre précédente pour le
générateur
photovoltaïque (PV) fonctionne dans les conditions optimales, il doit être doté d’un
quadripôle d’adaptation figure (4.4). Cette adaptation se réalise en cherchant de façon
UKMO 2012
51
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
automatique le point de puissance maximale (PPM) du générateur PV figure (4.5 et 4.6) et
ceci lorsque le système est placé dans un environnement où les conditions météorologiques
(ensoleillement, température) et charge sont stables.
Figure 4.4: Schéma bloc de la simulation d'un système PV avec la commande MPPT
UKMO 2012
52
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
Figure 4.5 : Schéma bloc d'algorithme MPPT
Figure 4.6: Schéma bloc de la commande MLI
UKMO 2012
53
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
La charge
50
30
10
8
3.86
L'éclairement
1000w/m^2 1000w/m^2 1000w/m^2 1000w/m^2 1000w/m^2
La puissance
74.86w
74.86w
74.86w
74.86w
74.81w
Le courant
4.35A
4.35A
4.37A
4.36A
4.40A
La tension
17.17V
17.14V
17.12V
17.16V
16.99V
Tableau 4.2: La variation de la puissance para port la charge (avec MPPT)
En remarque toujours le système photovoltaïque donne la puissance max se que exprimer le
rôle de la commande MPPT.
4.3 Résultats de simulation
Dans les figures (4.7 et 4.8 et 4.9), est pour un éclairement constant de 1000 W/m2 et une
température de 25°C, les résultats typiques de simulation des caractéristiques électriques à la
sortie du panneau et à la sortie du hacheur de type élévateur contrôlé par la commande MPPT
il apparaît que:
Les différentes grandeurs électriques (puissances, tensions et courants) se stabilisent autour
des valeurs fixées par notre cahier de charge:
Après un régime transitoire de durée 2 ms, la commande MPTT fait osciller le point de
fonctionnement autour du point du PPM.
La puissance fournie par le générateur PV se stabilise autour de 75 W et celle fournie à la
charge autour de 68 W, à la sortie du panneau, la tension et le courant se stabilisent
respectivement autour de 17 V et 4.4 A.
Au niveau de la charge, la tension et le courant se stabilisent respectivement autour de 58 V et
1.2 A.
UKMO 2012
54
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
Courant de la charge
1.2
Courant(A)
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
Courant de GPV
4.45
Courant(A)
4.4
4.35
4.3
4.25
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
0.016
0.018
0.02
0.016
0.018
0.02
Figure 4.7: Le courant générée par la charge et GPV
Tension de la charge
60
Tension(V)
50
40
30
20
10
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temps(s)
0.012
0.014
Tension de GPV
Tension(V)
17.5
17
16.5
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temps(s)
0.012
0.014
Figure 4.8: La tension générée par la charge et GPV
UKMO 2012
55
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
La puissance de la charge
Puissance (W)
80
60
40
20
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temps(s)
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
0.014
0.016
0.018
0.02
La puissanse de GPV
Puissance(W)
74.9
74.8
74.7
74.6
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
Temps(s)
0.012
Figure 4.9 : La puissance générée par charge et GPV
Notons que la différence entre la puissance à la sortie du panneau et celle fournie à la
charge reste dans la limite de 6 Watts. Ces pertes sont attribuées aux pertes par commutation
et par conduction dans le transistor Mosfet, dans la diode et dans les différents composants de
la commande MPPT.
La figure (4.10) montrent que le système de charge résistive sans MPPT a une mauvaise
efficacité à cause de la non adaptation entre le module PV et la charge de type résistance.
UKMO 2012
56
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
10.5
P sans MPPT
P uis sanc e(w)
10
9.5
9
8.5
8
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
P uis s ance(w)
74.9
P avec MPPT
74.8
74.7
74.6
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure 4.10 : La comparaison entre la puissance de GPV sans et avec MPPT
Avec les valeurs simuler des caractéristiques du panneau pour G= 1000W/m2:
On connexion direct on a :
Ipv=0.42A, Vpv=21.38V ,Ppv=9.14W.
•
Au point maximum de puissance, le rendement est nSMPPT =12.18%. Et avec MPPT
On a : IPV =4.35 A, VPV=17.17V, PPV=74.86w et
•
Au point maximum de puissance, le rendement est nMPPT =99.81%.
Pour montrer bien l'efficacité de la commande MPPT sur la puissance maximale, nous avons
simulé le système avec différents éclairements et une température fixe T=25°C, les résultats
obtenus est la suivante :
UKMO 2012
57
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
Sans MPPT
La tension de la charge pour différents éclairement
24
G=800w/m2
22
20
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
22
20
Tension(v)
18
G= 600w/m2
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
22
20
18
G= 400w/m2
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
19.345
G= 200w/m2
19.345
19.345
0
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps(s)
0.02
Figure (4.11): La tension en fonction de temps
V sortie de convertisseur
100
G= 800w/m2
50
0
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
50
Tension (v)
G= 600w/m2
0
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
40
G= 400w/m2
20
0
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
25
G= 200w/m2
20
15
0
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps(w)
0.02
Figure (4.12): La tension de la charge en fonction de temps
UKMO 2012
58
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
Avec MPPT
La puissance max pour différents éclairement
10
P pour 800w/m2
8
6
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
10
0.02
P pour 600w/m2
Puissance(w)
8
6
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
10
0.02
P pour 400w/m2
8
6
0
0.002 0.004 0.006 0.008
0.01
0.012 0.014 0.016 0.018
0.02
7.4845
P pour 200w/m2
7.4845
7.4845
0
0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018
Temps(s)
0.02
Figure (4.13) : La puissance en fonction
MPPT pour différents éclairement
60.2
MPPT pour 800w/m2
60
59.8
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
44.6
MPPT pour 600w/m2
Puissance(w)
44.4
44.2
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
28.8
MPPT pour 400w/m2
28.6
28.4
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01
0.012
0.014
0.016
0.018
0.02
12.426
MPPT pour 200w/m2
12.424
12.422
0
0.002
0.004
0.006
0.008
0.01 0.012
Temps(s)
0.014
0.016
0.018
0.02
Figure (4.14) : La puissance de la charge en fonction de temps
UKMO 2012
59
Chapitre 4
Simulation du système photovoltaïque
A travers les figures (4.11, 4.12 et 4.13, 4.14) obtenus nous avons
montré que le
convertisseur DC-DC et la commande MPPT effectuent correctement leurs rôles. Le
convertisseur fournit dans les conditions optimales une tension à sa sortie supérieure à celle
fournie par le générateur PV. La commande MPPT adapte le générateur PV à la charge:
transfert de la puissance maximale. En remarque toujours que le résultat reste le même pour
différents éclairements.
4.4 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons présenté la simulation d'un système PV avec et sans MPPT
et on conclue que un système de conversion d'énergie, constitué par un panneau PV, et un
convertisseur DC-DC et un suiveur du point de puissance maximale (MPPT) par la méthode
de Perturbe et observe conduit à un fonctionnement optimal du système. La recherche du
point de puissance maximale est fait d'une manière stable et robuste, les résultats obtenus
montrent que pendant une durée inférieure à 2 ms et en variant d’une manière automatique le
rapport cyclique du signal qui commande l’interrupteur du convertisseur d’énergie le système
converge vers les conditions optimales indépendamment des conditions météorologiques et de
la variation de la charge ces résultats, forts intéressants, montrent que l’utilisation de la
commande MPPT permet d’améliorer d’une manière considérable le rendement des
installations photovoltaïques.
UKMO 2012
60
Conclusion générale
Conclusion générale
La demande mondiale en énergie évolue rapidement et les ressources naturelles de
l'énergie telles que l'uranium, le gaz et le pétrole diminuent en raison d'une grande diffusion et
développement de l'industrie ces dernières années. Pour couvrir les besoins en énergie, des
recherches sont conduits à l'énergie renouvelable. Une des énergies renouvelables qui peut
accomplir la demande est l’énergie solaire photovoltaïque, c’est une énergie propre,
silencieuse, disponible et gratuite. C’est d’ailleurs ce explique que son utilisation connaît une
croissance significative dans le monde.
L'utilisation d'énergie solaire comme source alternative d'énergie, souffre du coût élevé
des cellules solaires, du faible rendement et de puissance intermittent selon la fluctuation des
conditions atmosphériques. Par conséquent, n'importe quelle conception de système
d'application d'énergie solaire, devrait prendre en compte ces inconvénients. Ce travail s’agit
d’une contribution à l'optimisation du fonctionnement d’un système photovoltaïque.
Les travaux présentés concernent plus particulièrement la problématique du couplage entre un
générateur photovoltaïque et une charge de type continue. En effet, ce type de couplage
souffre encore du problème du transfert de puissance du générateur photovoltaïque à la
charge qui est souvent très loin des possibilités du générateur.
Avant d’aborder la problématique de conversion, nous avons tout d’abord étudié le
contexte et la problématique de l’énergie solaire photovoltaïque. Ceci s’avérer nécessaire pour
acquérir une connaissance approfondie du comportement d’un générateur photovoltaïque.
Nous avons établi des programmes de calculs sous l’environnement Matlab 7.0 permettant de
tracer la caractéristique I-V pour différentes éclairements et températures solaires et de
calculer la puissance maximale délivrée par la cellule photovoltaïque correspondante.
Nous rappelons dans le deuxième chapitre les principales caractéristiques des convertisseurs
statiques dont il faut tenir compte pour dimensionner les étages d’adaptation entre le
générateur photovoltaïque et la charge.
Pour mieux analyser les contraintes de l’exploitation d’un système photovoltaïque, nous
avons étudie plusieurs méthodes d’optimisation.
Dans le dernier chapitre, nous avons analysé dans le simulateur Matlab 7.0 le fonctionnement
optimal d’un système PV, de moyennes puissances dont la régulation de la puissance est
effectuée par une commande MPPT, suites aux variations des conditions météorologiques
(éclairements,…) et de la charge.
Conclusion générale
Les résultats obtenus montrent l’oscillation instantanée du point de fonctionnement du
module photovoltaïque autour du PPM indépendamment à des variations de l’éclairement et
la charge. Le bon fonctionnement du convertisseur DC-DC Boost (rendement de l’ordre de 92
%) et les faibles pertes de puissances fournies par ce module (inférieures à 8 %) nous ont
permis de conclure le bon fonctionnement et les performances satisfaisantes du système PV
réalisé au cours de ce travail. En perspective, ce travail sera poursuivi par une réalisation
pratique de commande MPPT à fin de valider les résultats obtenus.
Références bibliographiques
Références bibliographiques
[1] K. Kassmi et M. Hamdaoui et F. Olivié ‘Conception et modélisation d’un
système photovoltaïque adapté par une commande MPPT analogique’, université de
maroc ,revue des énergies renouvelables ,pp 451 – 462, 2007.
[2] A. T.SINGO ‘ Système d’alimentation photovoltaïque avec stockage hybride
pour l’habitat énergétiquement autonome’
Thèse de doctorats, université Henri
Poincaré, Nancy-I,2010.
[3] J. Royer et T. Djiako et E. Schiler, B. Sadasy. ‘ Le pompage photovoltaïque’,
université d'Ottawa, 1998.
[4] S.ABADA ‘ Etude et optimisation d'un générateur photovoltaïque pour la recharge
d'une batterie avec un convertisseur sepic’, Mémoire Maître es Sciences , Université
laval, 2011.
[5] M. G. Villalva and J. R. Gazoli, and E. R. Filho ‘Comprehensive approach to
modeling and simulation of photovoltaic arrays’,Jornal of power electronics, ,May
2009.
[6] A. Bilbao ‘ Réalisation d'un commande mppt numérique’ université de rovira i
virgili ,2006.
[7] H. BELGHITRI et H. ‘ Modélisation, simulation et optimisation d’un système
hybride éolien-photovoltaïque’ mémoire de magister, 2009.
[8] A. labouret et M. villoz
préface de jean louis bal ‘Energie
solaire
photovoltaïque’, livre 4 édition,2008.
[9]
B. Flèche - D. Delagnes ‘Energie solaire photovoltaique.doc’, juin 2007,
http://www.scribd.com.
[10] M.belhad ‘ Modélisation D’un Système De Captage Photovoltaïque Autonome’,
mémoire de magister université de bachar ,2008.
[11] S. PETIBON ‘ Nouvelles architectures distribuées de gestion et de conversion
de l’énergie pour les applications photovoltaïques’, université de Toulouse, 2009.
[12] L. ABBASSEN ‘ Etude de la connexion au réseau électrique d'une centrale
photovoltaïque’ Mémoire de magister, université mouloud Mammeri
Tizi ouzzo,
2011.
[13] L. ZAROUR ‘ Etude technique d’un système d’énergie hybride photovoltaïqueéolien hors réseau’, Thèse Magister université de constantine, 2007.
[14] Z. Bendjellouli ‘ Contribution a la modélisation d'une cellule solaire’, Mémoire
de magister université de bachar, 2009.
Références bibliographiques
[15] L.P.Lachauvinniére ,ficher ‘Convertisseur statique’communication technique.
[16] O. BELABBASSI , M. REZMA ‘Contribution a l’étude et dimensionnement d’un
systeme hybride photovoltaïque / réseau sone gaz’ mémoire d'ingénieur d'état
université de Laghouat , 2011.
[17] C.BERNARD, C. SEBRAO , O.Bernard LAVAL, C.VAUDOUER‘Gestion
énergétique des panneaux photovoltaïques’ université de sfax école nationale
d’ingénieurs de sfax,2008-2009.
[18] H. LEQUEU – [DIV435] – Fichier : IUT-EDP-9, 2004/2005.
[19] S.BELAKEHAL ‘ Conception & commande des machines à aimants permanents
dédiées aux énergie renouvelables’ thèse de doctorats, université de constantine, 2010.
[20] M.S.rodriguez‘Réalisation d'un étage d'adaptation pour générateur photovoltaïque
a partir d'un girateur de puissance’ université revirs i virgili ingénieur, juin 2008.
[21] C. CABAL ‘Optimisation énergétique de l'étage d'adaptation électronique dédié à
la conversion photovoltaïque ’, Thèse de doctorat université de Toulouse III ,2008.
[22] Y. PANKOW ‘Etude de l'intégration de la production décentralisée dans un
réseau basse tension. application au générateur photovoltaïque’, thèse de doctorats de
l'école nationale,2004.
[23] M.ARROUF ‘Optimisation de l’ensemble onduleur, moteur et pompe branche sur
un générateur photovoltaïque’, thèse doctorats université de Constantine,2007.
[24] V.Boitier , P. Maussion , C. CABAL ‘Recherche du maximum de puissance sur
les générateurs photovoltaïques’, université de Toulouse, revue 3E.I, N°54, pp 90-96,
septembre 2008.
[25] F. Ansari ,A. K. Jha‘ Maximum power point tracking using perturbation and
observation as well as incremental conductance algorithm’ international journal of
research in engineering & applied sciences, issn: 2294-3905, PP 19-30,2011.
[26] B.Multon,O.Gergaud,H.ben ahmed, X.Roboam, S.Aster, B.Dakyo, C.Nikita,
‘Etat de l'art des aérogénérateur’,l'électronique de puissance ,vecteur d'optimisation
pour les énergies rerenouvelables,Ed.novelect-ecrin,2002.
[27] A. Brahmi et A. Abounada et M. Ramzi Revue ‘Application de la commande
'Perturb and Observe' pour l’extraction de la puissance maximale des cellules
photovoltaïques’ des Energies Renouvelables CER’07 Oujda 2007.
[28] S. ndoye, I.ly, f. barro, O. H. lemrabott, G. sissoko ‘Modélisation et simulation
sous matlab/simulink de la chaine d’alimentation d’une station relais de
Références bibliographiques
télécommunications en energie solaire photovoltaïque dans une zone isolée du réseau
électrique’ Journal des sciences, université de Dakar, pp 45-55, 2009.
[29] K. GUESMI ‘Contribution a la commande floue d’un convertisseur statique’,
université de remis champagne ardenne, thèse de doctorats ,2006.
[30] DR.A. MOUSSI et A. SAADIETUDE ‘comparative entre les techniques
d’optimisation des systemes de pompage photovoltaïque’ Université de Biskra,
Algérie pp 73-79, Novembre 2001.
[31] S. Benmachiche ‘ Etude des paramètres limitant le rendement d’une photopile à
base d’une structure MIS’, Mémoire de magister Université de Batna , 2009.
[32] N. Chandrasekaran, K. Thyagarajah ‘ Modeling and matlab simulation of
pumping system using pmdc motor powered by solar system’, European Journal of
Scientific Research, pp 6-13,2011.
[33] http://www.mathworks.es.
Annexe
Annexe 1:
Programme associé avec le panneau solaire :
clc;
%% paneaux solar sp 75 module
Iscn =4.8;
%Nominal short-circuit courant [A]
Vocn =21.7;
%Nominal array open-circuit voltage[v]
Imp = 4.41;
%Array current @ maximum power point [A]
Vmp = 17;
%Array Voltage @ maximum power point [v]
Pmax_e = Vmp*Imp;
%Array maximum power [W]
Kv = -0.77;
%Voltage/temperature coefficient [V/K]
Ki = 2.06e-3;
%Current/temperature coefficient [A/K]
Ns = 32;
%Nunber of series cells
Tn = 25+273.15;
%module temperateur[k]
Gn=1000;
%Irradiance
%% parameters module
Npp=1;
Nss=1;
%% converter Boost
L=0.34*10^-3;
Ce=9400*10^-6;
Co=4700*10^-6;
%Vo=12;
%% Constants
k = 1.3806503e-23; %Boltzmann [J/K]
q = 1.60217646e-19; %la charge [C]
a = 1;% Diode constant
%% Algorithm parameters
%Increment of Rs
Rsinc = 0.01;
%Maximum tolerable power error
tol = 0.0001;
%Maximum number of iterations for each value of "a"
nimax = 5000;
%Voltage points in each iteration
nv = 50;
%% Adjusting algorithm
% Reference values of Rs and Rp
Rs_max = (Vocn - Vmp)/ Imp;
Rp_min = Vmp/(Iscn-Imp) - Rs_max;
% Initial guesses of Rp and Rs
Rs = 0;
Rp = Rp_min;
% The model is adjusted at the nominal condition
T = Tn;
G = Gn;
Vtn = k * Tn / q;
%Thermal junction voltage (nominal)
Vt = k * T / q;
%Thermal junction voltage (current temperature)
Annexe
%Ion = Iscn/(exp(Vocn/a/Ns/Vtn)-1);
%Io = Ion;
% Nominal diode saturation current
perror = Inf; %dummy value
% Iterative process for Rs and Rp until Pmax,model = Pmax,experimental
ni = 0;
while (perror>tol) && (Rp > 0) && (ni < nimax)
ni = ni + 1;
% Temperature and irradiation effect on the current
dT = T-Tn;
% Nominal light-generated current
Ipvn = (Rs+Rp)/Rp * Iscn;
Ipv = (Ipvn + Ki*dT) *G/Gn;
% Actual light-generated current
Isc = (Iscn + Ki*dT) *G/Gn;
% Actual short-circuit current
Io = (Ipv - Vocn/Rp)/(exp(Vocn/Vt/a/Ns)-1); %%
% Increments Rs
Rs = Rs + Rsinc;
Rp_ = Rp;
Rp = Vmp*(Vmp+Imp*Rs)/(Vmp*IpvVmp*Io*exp((Vmp+Imp*Rs)/Vt/Ns/a)+Vmp*Io-Pmax_e);
% Solving the I-V equation for several (V,I) pairs
clear V
clear I
V = 0:Vocn/nv:Vocn;
% Voltage vector
I = zeros(1,size(V,2)); % Current vector
for j = 1 : size(V,2) %Calculates for all voltage values
% Solves g = I - f(I,V) = 0 with Newton-Raphson
g(j) = Ipv-Io*(exp((V(j)+I(j)*Rs)/Vt/Ns/a)-1)-(V(j)+I(j)*Rs)/Rp-I(j);
while (abs(g(j)) > 0.001)
g(j) = Ipv-Io*(exp((V(j)+I(j)*Rs)/Vt/Ns/a)-1)-(V(j)+I(j)*Rs)/Rp-I(j);
glin(j) = -Io*Rs/Vt/Ns/a*exp((V(j)+I(j)*Rs)/Vt/Ns/a)-Rs/Rp-1;
I_(j) = I(j) - g(j)/glin(j);
I(j) = I_(j);
end
end % for j = 1 : size(V,2)
% Calculates power using the I-V equation
P = (Ipv-Io*(exp((V+I.*Rs)/Vt/Ns/a)-1)-(V+I.*Rs)/Rp).*V
Pmax_m = max(P);
Annexe
perror = (Pmax_m-Pmax_e);
end % while (error>tol)
if (Rp<0)
Rp = Rp_
end
Ion = Io;
%% Outputs
% I-V curve
figure
subplot(2,1,1)
grid on
hold on
title('Adjusted I-V curve');
xlabel('V [V]');
ylabel('I [A]');
xlim([0 Vocn*1.1]);
ylim([0 Iscn*1.1]);
plot(V,I,'LineWidth',2,'Color','b')
plot([0 Vmp Vocn ],[Iscn Imp 0 ],'o','LineWidth',2,'MarkerSize',5,'Color','r')
%%P-V curve
subplot(2,1,2)
grid on
hold on
title('Adjusted P-V curve');
xlabel('V [V]');
ylabel('P [W]');
xlim([0 Vocn*1.1]);
ylim([0 Vmp*Imp*1.1]);
plot(V,P,'LineWidth',2,'Color','b')
plot([0 Vmp Vocn ],[0 Pmax_e 0 ],'o','LineWidth',2,'MarkerSize',5,'Color','r')
disp(sprintf('Model info:\n'));
disp(sprintf(' Rp_min = %f',Rp_min));
disp(sprintf(' Rp = %f',Rp));
disp(sprintf('Rs_max = %f',Rs_max));
disp(sprintf(' Rs = %f',Rs));
disp(sprintf(' a = %f',a));
disp(sprintf(' T = %f',T-273.15));
disp(sprintf(' G = %f',G));
disp(sprintf(' Pmax,m = %f (model)',Pmax_m));
disp(sprintf(' Pmax,e = %f (experimental)',Pmax_e));
disp(sprintf(' tol = %f',tol));
disp(sprintf('P_error = %f',perror));
disp(sprintf(' Ipv = %f',Ipv));
disp(sprintf(' Isc = %f',Isc));
disp(sprintf(' Ion = %g',Ion));
disp(sprintf('\n\n'));