Introduction générale - Bibliothèque Centrale Université de Ouargla

UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA
Faculté des Sciences Appliquées
Département de Génie Electrique
Mémoire
MASTER ACADEMIQUE
Domaine : Sciences et technologies
Filière : Génie électrique
Spécialité : Eélectrotechnique Industrielle
Présenté par :
KAHLAOUI Imed Eddine
CHOUIA Mohamed el Amine
Thème :
Simulation de couplage d’un moteur
asynchrone avec un onduleur
Multi-niveaux alimenté par un
générateur
photovoltaïque
Soutenu publiquement
Le : 31/05/2016
Devant le jury :
Mr DJAFOUR Ahmed
MC (A)
Président
UKM Ouargla
Mr BOUAKAZ Ouahid
MA (A)
Encadreur/rapporteur
UKM Ouargla
Mr Khettache Laid
MA (A)
Examinateur
UKM Ouargla
Année universitaire 2015/2016
Dédicaces
Je dédie ce travail :
A mes parents EL HADJ ET HARZALLAH RADHIA
A mon frère et mes sœurs (RANIA, ISSAM et HOUDA)
A mes grands-parents BELKACEM et AICHA DOUHI
A NESS EL KHIR OUARGLA
Vous vous êtes dépensés pour moi sans compter
En
Reconnaissance de tous les sacrifices consentis par Tous
Et Chacun
Pour me permettre d’atteindre cette étape de ma vie.
A mes Oncles, Tantes, Cousins et Cousines.
Vous avez de près ou de loin contribué
À ma formation.
Affectueuse reconnaissance
A Ormaies et à Rose de Lumière
A mes camarades d’auditoires
Et
Tous ceux de la Faculté des Sciences Appliquées
De l’Université de KASDI MERBAH.
Dédicaces
Je dédie ce modeste travail à :
Mon cher père AMARA pour tout le bénéfice que j’ai tiré
De ses Conseils et de son expérience
Ma chère mère SAKINA CHOUIA pour leur soutien,
Leur affection et
De sa demande à dieu.
Mes très chers beaux-frères :
ABDELGHANI *BACHIR *
Mes chères sœurs : IMANE * FATIMA* FAIZA
*LINDA*THORIA*CHAFIKA*
Toute ma grande famille
Toutes Mes chères amies :
NADJIB*AYOUB* IMED EDDINE * CHERIF*ZINEB SALLHA
Et Tous mes amis d’étude et mes collègues
A les professeurs De Faculté des Sciences Appliquées
Et Tous ceux que j’aime
Je Présente mes excuses à ceux qui ne mentionnent
Pas son nom
Remerciements
Nous disons merci
Au Allah le tout le très Miséricordieux,
Qui nous a donné la force de faire ce Modeste travail.
Merci pour nos aimables familles
Merci pour notre généreux professeur.
Et Surtout pour notre chère
Professeur BOUAKAZ Ouahid
Pour son Encadrement, sa patience et son aide
Jusqu’à l’achèvement de ce travail.
Merci pour tout ce qui a tendus la main d’aide.
Merci pour la nation musulmane.
SOMMAIRE
Dédicaces ………………………………………………………………………………….
Remerciements…………………………………………………………………………….
Liste de figures…………………………………………………………………………….
I
Liste d’abréviations………………………………………………………………………...
III
Liste de symbole…………………………………………………………………………
IV
Introduction générale…………………………………..…………………………………..
01
CHAPITRE UN
GENERALITES SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
1.1. Introduction……………………………………………………………………………
04
1.2. Energie solaire………………………………………………………………………...
04
1.2.1. Rayonnement solaire………………………………………………………………...
04
1.3. Effet photovoltaïque…………………………………………………………………..
05
1.3.1. Définition …………………………………………………………………………...
05
1.4. Cellule photovoltaïque………………………………………………………………...
06
1.4.1. Constitution de la cellule photovoltaïque…………………………………………...
06
1.4.1.1. Historique de la cellule photovoltaïque…………………………………………...
07
1.4.1.2. Caractéristique de la cellule photovoltaïque………………………………………
08
1.4.2. Générateur photovoltaïque ………………………………………………………….
10
I.5. Architecture classique d’un module photovoltaïque…………………………………..
10
a. Regroupement des cellules en séries…………………………………………………….
11
b. Regroupement de cellules en parallèle………………………………………………….
11
1.6. Modélisation du générateur photovoltaïque…………………………………………..
12
a. Module photovoltaïque………………………………………………………………….
12
b. Panneau photovoltaïque…………………………………………………………………
12
3.7. Modélisation d’un Module photovoltaïque……………………………………………
13
a. Influence de la température ……………………………………………………………..
15
b. Influence de l’éclairement ………………………………………………………………
15
1.8 Convertisseur DC/DC pour les systèmes d'énergie solaire…………………………….
16
1.8.1 Hacheur dévolteur (série) ……………………………………………………………
16
1.8.2 Hacheur survolteur (ou parallèle) …………………………………………………...
16
1.8.3 Hacheur dévolteur - survolteur (série−parallèle)…………………………………….
17
1.9 Techniques d’MPPT…………………………………………………………………...
17
a. Principe des techniques “perturbation et observation” (P&O)…………………...……..
19
1.10. Classification d'un système solaire photovoltaïque………………………………….
21
a. Système autonome………………………………………………………………………
21
b. Système connecté au réseau …………………………………….……………………….
22
1.11. Avantage et inconvénients d'une installation PV…………………………………….
23
1.12. Conclusion…………………………………………………………………………...
24
CHAPITRE DEUX
CONVERTISSEURS MULTINIVEAUX DANS LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
2.1. Introduction……………………………………………………………………………
26
2.2 Convertisseurs statiques multi niveaux………………………………………………...
26
2.3. Principe de l’onduleur multiniveaux………………………..…………………………
26
1. Onduleur de tension a diode de bouclage……………………………………………….
27
2 Onduleur à condensateur flotteur (Convertisseur Multicellulaire Série (FC)……………
29
2 .4 Onduleur multicellulaire série 3 niveaux……………………………………………...
29
2.4.1. Onduleur de tension en cascade…………………………………………………….
31
2.5 Stratégies de commande des onduleurs multiniveaux………………………………....
32
2.5.1. Commande par paliers………………………………………………………………
32
2.6 Modulation Sinusoïdale (MS) …………………………………………………………
33
2.6.1. MS classique mono-porteuse………………………………………………………..
33
2.6.2. Modulation sinusoïdale multi-porteuse……………………………………………..
33
a. Modulation sinusoïdale multi-porteuse classique……………………………………….
34
b. Modulation sinusoïdale modifiée de premier type (MSM1)……………………………
35
c. Modulation sinusoïdale modifiée de deuxième type (MSM2)………………….……….
36
2.7. Modalisation d’onduleur à deux niveaux et multiniveau …………….….…………..
38
a. Structure d’un onduleur de tension triphasé ……………………………………………..
38
2.8. Onduleur à condensateur flottante à trois niveaux ………………………..…………...
39
2.9. Conclusion……………………………………………………………………………..
41
CHAPITRE TROIS
MODELISATION ET SIMULATION D’ONDULEUR ALIMENTE PAR UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE
3.1. Introduction…………………………………………………………………….…..….
43
3.2 Onduleurs aux systèmes photovoltaïques………………………………………..…….
43
3.2.1. Les différents types d’onduleurs photovoltaïques…………………………...……...
43
a. Les onduleurs centralisés……………………………………………………………...…
43
b. Les onduleurs modulaires avec 1 TRACKER MPPT…………………………..……….
44
c. Les onduleurs modulaires avec plusieurs TRACKERS MPPT…………………………..
44
3. 3 Simulation globale du système………………………………………………………...
46
3.4 Interprétation des résultats……………………………………………………………...
48
3.5 Conclusion ……………...….…………………….……………………….…………....
48
Conclusion Générale ………………………………………………………………………
50
Annexes…………………………………………………………….....................................
Bibliographie ………………………………………………………………………………
Liste de figures
Liste des figures
LISTE DE FIGURES
Figure
page
Figure (1.1)
Chemins suivis par le rayonnement solaire
05
Figure (1.2)
Coupe transversale d’une cellule PV
05
Figure (1.3)
Spectre du rayonnement solaire
06
Figure (1.4)
Constitution d'une cellule photovoltaïque
07
Figure (1.5)
Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
08
Figure (1.6)
Courbe courant-tension spécifique à chaque Type de cellule
09
Figure (1.7)
Courbe puissance-tension spécifique à chaque Type de cellule
09
Figure (1.8)
Structure d'un générateur photovoltaïque
10
Figure (1.9)
Caractéristiques résultantes d’un groupement de (Ns) cellules en série
11
Figure (1.10)
Caractéristiques d’un groupement de (𝑁𝑝 ) cellules en parallèle
11
Figure (1.11)
Block du module STP 17OS-24/Ab-1 dans SIMULINK
14
Figure (1.12)
Caractéristiques I-V et P-V d’un module d’une chaine à 1000 W
14
Figure (1.13)
Caractéristiques I-V et P-V d’un module d’une chaine à 25 deg.C
15
Figure (1.14)
Schémas de principe d’un hacheur série
16
Figure (1.15)
Schémas de principe d’un hacheur parallèle
17
Figure (1.16)
Schémas de principe d’un hacheur série-parallèle
17
Figure (1.17)
Commande MPPT
18
Figure (1.18)
Répartition de la caractéristique selon le fonctionnement du hacheur
18
utilisé
Figure (1.19)
Caractéristique P(V) d’un panneau solaire
20
Figure (1.20)
Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation
20
Figure (1.21)
puissance de sortie avec technique MPPT et sans technique MPPT
21
Figure (1.22)
Exemple de la structure d'un système PV autonome
22
Figure (1.23)
Exemple de la structure d’un système PV connecté au réseau
23
Figure (2.1)
Onduleur à niveaux multiples à deux (a), à trois (b) et à m niveaux
27
(c)
Figure (2.2)
Différentes topologies des convertisseurs multi-niveaux
27
Figure (2.3)
Topologies d’onduleurs NPC
28
Figure (2.4)
Convertisseur Multicellulaire Série (a) représentation 1 – (b)
29
représentation 2
I
Liste de figures
Figure (2.5)
Configurations possibles du convertisseur multicellulaire série
30
Figure (2.6)
Structure d'un onduleur multiniveau en cascade à cinq niveaux
31
Figure (2.7)
Forme d’onde multiniveau (7 niveaux) générée par une commande
33
par paliers et tensions aux bornes de trois cellules en série sur une
phase
Figure (2.8)
MLI Classique intersective
33
Figure (2.9)
Principe de la MLI à doubles triangle
34
Figure (2.10)
Modulation sinusoïdale modifié
35
Figure (2.11)
Circuit analogique qui ajoute la séquence de zéro pour SFO-PWM
36
Figure (2.12)
Forme d’ondes des multi porteuses est basé sur SFO-PWM (k = 6,
37
mf = 21, ma =0.8)
Figure (2.13)
Les trois techniques importantes pour la stratégie de commande
38
Figure (2.14)
Schéma d’onduleur de tension à deux niveaux triphasé
39
Figure (2.15)
Tension de sortie composée d’onduleur à deux niveaux triphasé
39
Figure (2.16)
principe de la MLI à double triangle pour triphasé
39
Figure (2.17)
Schéma d’un onduleur à condensateur flottante à trois niveaux
40
Figure (2.18)
Tension de sortie composée d’onduleur à condensateur flottante à
40
trois niveaux triphasé
Figure (3.1)
Onduleur centralisé
43
Figure (3.2)
Onduleur modulaire avec 1 TRACKER MPPT
44
Figure (3.3)
Onduleur avec 2 MPPT
45
Figure (3.4)
Mono-chaine (String)
45
Figure (3.5)
Multi-chaine (Multi-string)
45
Figure (3.6)
Système globale avec Onduleur de tension à 2 niveaux
46
Figure (3.7)
Onduleur 2 niveaux avec Système globale
46
Figure (3.8)
le couple et la vitesse du moteur avec onduleur 2 niveaux
47
Figure (3.9)
Onduleur trois niveaux avec Système PV
47
Figure (3.10)
le couple et la vitesse du moteur avec onduleur trois niveaux
48
II
Liste d’abréviations
Liste d’abréviations
NPC
Neutral Point Clamped
MPC
Multiple Point Clamped
MPPT
maximan pawor point tracker
FC
Flaying capacitor (Condensateur flottante)
THD
taux harmonique distorsion
CC
courant continue
AC
courant alternative
PV
Photovoltaïque
DC /DC
Hacheur
DC/AC
Onduleur
AC / DC
Redresseur
AC / AC
Gradateur
GPV
générateur photovoltaïque
MLI
Modulation Largeur D’impulsion, PWM (Pulse Width Modulation)
III
Liste de symbole
Liste des symboles
𝐴
Le facteur d'idéalité de la jonction
Voc
La tension du circuit ouvert (V)
Icc
Courant de court-circuit (A)
I
Courant de la cellule photovoltaïque
Isc,n
Le courant de court- circuit nominal (A)
Voc,n
La tension de circuit ouvert nominal (V)
Vt
La tension thermique
𝐺
L'éclairement (W/m2)
𝐺𝑛
L'éclairement nominal (1000W/m2)
ℎ
la constant de planck (6,62 10−34 j.s)
𝐼
Courant de la cellule photovoltaïque
𝐼𝑝ℎ
Le photo-courant (A)
𝐼𝑑
Courant de diode (A)
𝐼𝑐𝑐
Courant de court-circuit (A)
𝐼0, 𝑛
Le courant de saturation nominal (A)
𝐼𝑠𝑐, 𝑛
Le courant de court-circuit nominal (A)
𝐼0
Le courant de diode de saturation (A)
𝐾
Constant de boltzman 1.38 10−23J K
𝐾1
Le coefficient de courant en fonction de température 𝐴/°𝐶
𝐾𝑣
Le coefficient de tension en fonction de température V/°C
𝑚𝑎
Le taux de modulation d`amplitude
𝑚𝑓
Taux de modulation de fréquence
𝑛
Le nombre de cellule
𝑁𝑠
Le nombre de module en série
𝑁𝑝
Le nombre de module en parallèle
𝑁
Le nombre de niveau de tension de sortie
𝑃𝑚
Puissance maximale(W)
𝑞
La charge électrique 1.6 10-19(C)
𝑅S
Résistance série de la cellule
𝑅𝑠ℎ
Résistance parallèle de la cellule
IV
Liste de symbole
𝑅𝑠𝑒, 𝑅𝑝𝑒 Résistance série et parallèle du module
𝐸𝑚
Eclairement moyenne (W/m2)
𝑇
Température de la cellule (°C)
𝑇𝑛
Température nominale de la cellule (°C)
𝑇𝑈𝐶
Température d'utilisation de la cellule (c)
𝑉
Tension aux bornes de la jonction
𝑉𝑜𝑐
La tension du circuit ouvert (V)
𝛥𝑇
La variation de température (°C)
Vs
la tension moyenne de sortie
Vi
tension de l'entrée
α
rapport cyclique
𝑚𝑓
Le rapport de fréquence
𝐴𝑟
L’amplitude de référence
𝐴𝑝
L’amplitude de porteuse
𝑓𝑟
La fréquence de référence
𝑓𝑝
La fréquence de porteuse
V
INTRODUCTION
GENERALE
Introduction générale
Introduction générale
La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir sur
tout en Algérie. 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 du 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 contre l’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.
L'exploitation directe de l'énergie solaire au moyen des capteurs relève de deux
technologies bien distinctes : l'une produit des calories, c'est l'énergie solaire thermique, et
l'autre produit de l'électricité, et c'est cette dernière énergie solaire photovoltaïque c’est
l’objectif de notre travail.
A travers l'effet photovoltaïque, l'énergie fournit est très variable et toujours en courant continu :
il faut souvent la stocker et parfois la transformer. Les systèmes photovoltaïques peuvent être
divisés en deux catégories : les systèmes autonomes et les systèmes couplés au réseau.
L’association des centrales PV couplée au réseau électrique se fait à l’aide d’un convertisseur
Courant Continu/Courant Alternatif (CC/CA).
Durant ces dernières années, la technologie des convertisseurs de puissance a connues un
développement fabuleux grâce au développent des technologies des semi-conducteurs et des
techniques numériques. Le développent est assuré que ce soit sur le volet architecture que
capacité de conversion.
A nos jours, on vit la naissance de nouveaux convertisseurs de puissance dit « multiniveaux »
qui sont utilisés principalement pour l’alimentation à fréquence variable des machines
alternatives de forte puissance.
1
Introduction générale
Le développent dans le domaine énergétique a poussé l’intégration de ces dernier dans les
réseaux de transport d’énergie. Dans la littérature, plusieurs structures de ces onduleurs
multiniveaux ont été proposées. On peut citer : 1) les onduleurs à diodes de bouclage (en anglais
clamping diodes appelé diode clamp) Neutral Point Clamped (NPC) et Multiple Point Clamped
(MPC) 2) l’onduleur à condensateur flotteur [ou Flying Capacitor (FC)] 3) l’onduleur à pont en
cascade H-bridge. Dans le cadre de notre travail, nous allons voir les applications des onduleurs
multiniveaux dans le système photovoltaïque alors on va choisir une structure «l’onduleur à
condensateur flotteur [ou Flying Capacitor (FC)]» qui sera utilisé pour transformer l’énergie
DC électrique issue d’une source PV vers AC pour alimenter une charge, inductive, capacitive,
résistive. Cette topologie permet de générer une tension la plus sinusoïdale que possible et
d’améliorer le taux d’harmoniques grâce au nombre élevé des niveaux de tension offert par la
structure de ce convertisseur.
2
CHAPITRE UN
GENERALITES
SUR LES SYSTEMES
PHOTOVOLTAÏQUES
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
1.1. Introduction
Cette première partie résume les concepts de base de l'énergie solaire et de la production
d'électricité grâce à l’effet photovoltaïque, les principaux éléments du système photovoltaïque
sont étudiés des principales topologies des convertisseurs DC/DC (Hacheurs dédié à l’MPPT)
Pour assurer une utilisation optimale de notre système, l’un doit maximiser la puissance PV
convertie en utilisant l’une des techniques MPPT bien connue. Dans le système étudié, on a
opté pour une variante simple dans laquelle l’MPPT est assurée par un premier convertisseur
DC/DC et un aperçu général sur les différents types des systèmes photovoltaïques est effectué.
1.2. Energie solaire
L'énergie solaire photovoltaïque convertit directement le rayonnement lumineux
(solaire ou autre) en électricité.
1.2.1. Rayonnement solaire
Le soleil, notre plus grande source d’énergie, est une étoile située à une distance
moyenne de 149 598 000 Km de la terre. Elle émet un rayonnement électromagnétique compris
dans une bande de longueur d’onde variant de 0,22 à 10 𝜇𝑚 [1].
Ce rayonnement est composé de grains de lumière appelés photons. L’énergie de chaque photon
est directement liée à la longueur d’onde 𝜆 par la relation suivante [2].
𝑐
(1.1)
𝐸𝑝 = ℎ ∗ (𝜆)
ℎ : est la constante de Planck.
𝑐 : est la vitesse de la lumière et 𝜆 sa longueur d’onde.
 Le rayonnement direct : est reçu directement du Soleil, sans diffusion par
l'atmosphère. Ses rayons sont parallèles entre eux, il forme donc des ombres et peut être
concentré par des miroirs. Il peut être mesuré par un PYRHELIOMETRE.
 Le rayonnement solaire réfléchi : ou l’albédo du sol est le rayonnement qui est réfléchi
par le sol ou par des objets se trouvant à sa surface. Cet albédo peut être important
lorsque le sol est particulièrement réfléchissant (eau, neige).
 Le rayonnement global : est la somme de tous les rayonnements reçus, y compris le
rayonnement réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent à sa surface. Il est mesuré
par un PYRANOMETRE ou un SOLARIMETRE sans écran. Les stations
météorologiques généralement mesurer le rayonnement global horizontal par un
PYRANOMETRE placé horizontalement à l'endroit requis. [3,4]
4
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Figure (1.1) : Chemins suivis par le rayonnement solaire [5]
1.3. Effet photovoltaïque
1.3.1. Définition
Le fonctionnement de la cellule PV est basé sur un phénomène physique appelé l’effet
photovoltaïque. La figure (1.2) illustre la coupe d’une cellule PV.
Figure (1.2) : Coupe transversale d’une cellule PV
Une cellule PV est réalisée à partir d’un matériau semi-conducteur (par exemple le silicium).
Sa réalisation est comparable à une diode classique. La cellule est composée de deux différentes
couches. La couche supérieure est dopée N et la couche inférieure est dopée P créant ainsi une
jonction PN. Cette jonction PN crée une barrière de potentiel. Lorsque les grains de lumière
(les photons) heurtent la surface de ce matériau, ils transfèrent leur énergie aux atomes de la
matière. Ce gain d’énergie libère des électrons de ces atomes, créant des trous et des électrons.
Ceci engendre donc une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de
potentiel crée un champ E qui draine les porteurs libres vers les contacts métalliques des régions
P et N. Il en résulte alors un courant électrique et une différence de potentiel dans la cellule PV.
Le courant et la tension fournis par une cellule PV dépendent de différents paramètres que nous
allons expliciter dans la suite de l’exposé. [6]
Il a été démontré que le rayonnement solaire est constitué de photons transportant chacun une
énergie 𝐸𝑝ℎ qui répond, elle-même, à la relation suivante. [7]
5
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
D'après la relation (1.1), on voit que cette énergie est inversement proportionnelle à la longueur
d'onde. Le flux d'énergie solaire est alors transmis sous forme de rayonnements
électromagnétiques dont les longueurs d'onde sont assez différentes du corps noir dans l'espace,
mais encore plus sur la terre ainsi que le montre la figure (1.3). [8]
Il est à remarquer que le spectre de l'énergie solaire en atmosphère terrestre est décalé vers le
rouge et l'infrarouge par rapport au spectre hors atmosphère.
Figure (1.3) : Spectre du rayonnement solaire [9]
1.4. Cellule photovoltaïque
1.4.1. Constitution de la cellule photovoltaïque
Une cellule photovoltaïque est assimilable à une diode photosensible. Son
fonctionnement est basé sur les propriétés des matériaux semi-conducteurs.
Une cellule est constituée de deux couches minces d'un semi-conducteur qui sont dopées
différemment, figure (1.4). Pour la couche N, c'est un apport d'électrons périphériques et pour
la couche P c'est un déficit d'électrons, les deux couches présent ainsi une différence de
potentiel.
L'énergie des photons lumineux captés par les électrons périphériques (couche N) leur permet
de franchir la barrière de potentiel et d'engendrer un courant électrique continu.
Pour effectuer la collecte de ce courant, des électrodes sont déposées par sérigraphie sur les
deux couches du semi-conducteur. L'électrode supérieure est une grille permettant le passage
6
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
des rayons lumineux. Une couche anti reflet est ensuite déposée sur cette électrode afin
d'accroître la quantité de lumière absorbée. [10 .11]
Figure (1.4) : Constitution d'une cellule photovoltaïque [12]
1.4.1.1. Historique de la cellule photovoltaïque
Considéré dans l'Antiquité comme un dieu, le soleil est aujourd'hui réduit au statut
d'énergie, une énergie qu'il nous faut apprendre à capter, à transformer, à stocker...
La conversion de la lumière en électricité, appelé effet photovoltaïque, a été découverte en 1839
par un physicien français, Alexandre Edmond Becquerel (en irradiant une électrode en argent
dans un électrolyte, il obtint une tension électrique).
En 1875, le physicien Werner Von Siemens expose devant l’Académie des Sciences de Berlin
un article sur l’effet photovoltaïque dans les semi-conducteurs.
Et la première cellule solaire fonctionnelle fut construite en 1883 par Charles Fritts. Mais le
rendement de sa cellule, étant très faible, empêcha à l'époque son utilisation.
Seulement, le phénomène est encore considéré comme anecdotique jusqu'à la Seconde Guerre
Mondiale. Les premières vraies cellules sont apparues en 1930 avec les cellules à oxyde
cuivreux puis au sélénium.
Les recherches d'après-guerre ont permis d'améliorer leurs performances et leur taille et ce n'est
qu'en 1954 que trois chercheurs américains, Chapin, Pearson et Prince mettent au point une
cellule photovoltaïque au silicium dans les laboratoires de la compagnie Bell téléphone. On
entrevoit alors la possibilité de fournir de l'électricité grâce à ces cellules. Au même moment,
l'industrie spatiale naissante, cherche de nouvelles solutions (autre que le procédé nucléaire)
pour alimenter ses satellites.
7
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
C'est en 1958, que les premiers satellites avec panneaux solaires sont envoyés dans l'espace et
au même moment une cellule avec un rendement de 9% est mise au point.
Mais il faudra attendre les années 70 pour que les gouvernements et les industries investissent
dans la technologie photovoltaïque. En effet des efforts ont été faits pour réduire les coûts de
sorte que l'énergie photovoltaïque soit également utilisable pour des applications terrestres.
Et en 1973, la première maison alimentée par des cellules photovoltaïques est construire à
l'Université de Delaware.
Ainsi au cours des années 80, la technologie photovoltaïque terrestre a progressé régulièrement
par la mise en place de plusieurs centrales de quelques mégawatts. La croissance de l'industrie
fut spectaculaire, et notamment à travers de nombreux produits de faible puissance fonctionnant
grâce à l'énergie solaire, tel que : montres, calculatrices, balises radio et météorologiques,
pompes et réfrigérateurs solaires. En 1983 la première voiture, alimentée par énergie
photovoltaïque, parcourt une distance de 4 000 km en Australie. [13]
1.4.1.2. Caractéristique de la cellule photovoltaïque
Le schéma équivalent d’une cellule est illustré dans la figure (1.5). La caractéristique
courante tension est présente dans la figure (1.6) :
Figure (1.5) : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
Pour la cellule idéale :
Iout = Iph – Id
(1.2)
Id = I0 exp (q Vout / A K T)
(1.3)
Une cellule photovoltaïque est définie par sa courbe caractéristique électrique (courant tension).
Elle indique la variation du courant qu’elle produit en fonction de la tension aux bornes de la
cellule depuis le court-circuit jusqu’au circuit ouvert.
8
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
8
3.5
7
3
6
Puissance (W)
Courant (A)
2.5
5
4
3
2
1.5
1
2
0.5
1
0
0
0
0.1
0.2
0.3
Tension (V)
0.4
0.5
0.6
0.7
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Tension (V)
Figure (1.6) : Courbe courant-tension
Figure (1.7) : Courbe puissance-tension
spécifique à chaque Type de cellule
spécifique à chaque Type de cellule
D’après les caractéristiques courant-tension, il est possible de déduire d’autres paramètres
électriques spécifiques à chaque cellule :
 le courant de court-circuit (𝐼𝑐𝑐) correspondant au courant débité par la cellule quand la
tension à ses bornes est nulle (en pratique, ce courant est très proche du photocourant𝐼𝑝ℎ).
 la tension du circuit (Vco) correspondant à la tension qui apparaît aux bornes de la
cellule quand le courant débité est nul.
Entre ces deux valeurs, il existe un optimum donnant la plus grande puissance Pm ou puissance
crête caractérisant la performance de la cellule.
Le facteur de forme FF indique le degré d’idéalité de la caractéristique correspondant au rapport
suivant :
FF = V
Pm
(1.4)
co ∗Icc
Avec :
P : Puissance maximale mesurée dans les conditions de référence (STC : Standard Test
Condition), c’est-à-dire sous l’ensoleillement de 1000𝑊/𝑚2 , à la température de 25° C sous
un spectre AM 1,5.
La figure (1.7) est établie dans des conditions de fonctionnement données (ensoleillement,
température à la surface de la cellule, etc.) et varie selon le type de cellule. Par exemple, une
cellule en silicium amorphe a une tension plus élevée qu’une cellule en silicium cristallin mais
son courant est nettement plus faible, en raison de sa faible collecte et de sa faible épaisseur.
[14]
9
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
1.4.2. Générateur photovoltaïque
La puissance disponible aux bornes d’une cellule est très faible. Il est donc nécessaire
d’associer en série et en parallèle de telles cellules pour obtenir des modules de puissance
compatible avec le matériel usuel. Les modules sont ensuite connectés en série pour former une
chaine. Enfin, les chaines sont connectées en parallèle pour former un générateur
photovoltaïque. Le nombre de modules dans chaque chaine est spécifié selon le besoin du
niveau de tension du générateur. [15.16]
Figure (1.8) : Structure d'un générateur photovoltaïque
1.5. Architecture classique d’un module photovoltaïque
a. Regroupement des cellules en séries
Dans des conditions d’ensoleillement standard (1000W/m² ,25°C), la puissance maximale
délivrée par une cellule en silicium de (150 cm²) est d’environ (2.3 W crête) sous une tension
de (0.5V).
Une cellule photovoltaïque élémentaire constitue donc un générateur électrique de faible
puissance insuffisante en tant que telle pour la plupart des applications domestiques ou
industrielles. Les générateurs photovoltaïques sont, de ce fait, réalisés par association, en série
et/ou en parallèle, d'un grand nombre de cellules élémentaires.
Une association de (Ns) cellules en série permet d’augmenter la tension du générateur
photovoltaïque (GPV) [17]
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, un tel
regroupement est représenté par la Figure (1.9).
L’équation (1.5) résume les caractéristiques électriques d’une association série de (Ns) cellules
10
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Vco Ns = Ns × Vco . . . . . . . . . . . . . Ns Icc = Icc
(1 .5)
Vco Ns La somme des tensions en circuit ouvert de Ns cellules en série.
Ns Icc Courant de court-circuit de Ns cellules en série.
Ce système d’association est généralement le plus communément utilisé pour les modules
photovoltaïques du commerce.
Comme la surface des cellules devient de plus en plus importante, le courant produit par une
seule cellule augmente régulièrement au fur et à mesure de l’évolution technologique alors que
sa tension reste toujours très faible.
L’association série permet ainsi d’augmenter la tension de l’ensemble et donc d’accroître la
puissance de l’ensemble.
Les panneaux commerciaux constitués de cellules de première génération sont habituellement
réalisés en associant (36) cellules en série (Vco × Ns = Ns × Vco = 21.6V) afin d’obtenir une
tension optimale du panneau (Vco ) proche de celle d’une tension de batterie de 12V. [17]
Figure (1.9) : Caractéristiques résultantes d’un groupement de (Ns) cellules en série [17]
b. Regroupement de cellules en parallèle
Une association parallèle de ( 𝑁𝑝 ) cellules est possible et permet d’accroître 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 résultant du groupement est
obtenue par addition des courants. L’équation (1.6) et la Figure (1.10).
Résument les caractéristiques électriques d’une association parallèle de ( 𝑁𝑝 ) cellules [17]
Figure (1.10). Caractéristiques d’un groupement de (𝑁𝑝 ) cellules en parallèle [17]
11
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Avec :
Icc Np = Np xIcc ; ........... Vco = Vco Np
(1.6)
𝐼𝑐𝑐 𝑁𝑝 : La somme des courants de court-circuit de (𝑁𝑝 ) cellules en parallèle
𝑉𝑐𝑜 𝑁𝑝 : Tension du circuit ouvert de (𝑁𝑝 ) cellules en parallèle
1.6. Modélisation du générateur photovoltaïque
a. Module photovoltaïque [18]
Le modèle utilisé pour simuler les performances du module PV (groupement de cellules
en série) est déduit du modèle de la caractéristique d’une cellule solaire par l’équation suivante :
q
I = Iph − I0 (enAKT
(V+Rse I)
− 1) −
V+Rse I
(1 .7)
Rpe
Avec I : le courant débité par le module photovoltaïque.
Et R se et R pe résistances série et parallèle du module définie par R se = nR s et R pe = nR sh
b- Panneau photovoltaïque
La modélisation d’un panneau composé de 𝑁𝑠 modules en série et 𝑁𝑝 modules en
parallèle est donnée par l’équation :
I = Np Iph − Np I0 (e
q
(V+Rse I)
nAKTNp
− 1) − Np
V+Rse (V+Rse I
Rpe
(1 .8)
Avec 𝐑 𝐬𝐞 et 𝐑 𝐩𝐞 résistance série et parallèle du module défini par :
R se = n
Ns
Np
. R s et R pe = n
Ns
Np
. R sh
(1 .9)
G
Iph = (Iph,n + K1 ∆T) G
n
Iph,n : Le courant photovoltaïque généré dans les conditions nominal (Tn =25°C et Gn
=1000W/m2)
∆T= T − Tn
(1 10)
Le courant de diode de saturation I0 dépende de la température par l’équation suivante :
T
3
qEg
1
1
I0 = I0,n ( Tn ) exp [ AK (T − T)]
(1.11)
n
𝐸𝑔 =1.12ev pour le poly-crystallaine et la température trouve la valeur T= 25°C
12
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
I0,n =
I0 =
Is c,n
(1 .12)
Voc,n
)−1
AVt,n
exp(
Is c,n +K1 ∆T
(1 .13)
Voc,n +KV ∆T
)−1
AVt
exp(
1.7. Modélisation d’un Module photovoltaïque
Dans ce travail nous avons simulé le module SUNTECH STP 270S-24_Vb qui comporte 72
cellules solaires de silicium monocristallin. Le module SUNTECH STP 270S-24_Vb peut
produire une puissance maximale de 269.843 watts à 35 volts. Ceci nous a permis de déterminer
la puissance et le courant en fonction de la tension du module étudié pour un éclairement de
1000 W/m2 et une température T=25°.
Les caractéristiques électriques du module Photovoltaïque Suntech STP 270S-24_Vb en
conditions de test standards sont représentées sur le Tableau 1.1
Les caractéristiques électriques du module photovoltaïque en conditions de test standards sont
représentées sur le Tableau 1.1
Grandeurs
Valeur
Eclairement standard, 𝐄
1000w/m2
Température standard, 𝐓
25°
Puissance crête maximale, 𝐏𝐦
269.843 W
Tension optimal, 𝐕𝐦
35 V
Courant optimal, 𝐈𝐦
7.7098 A
Tension de circuit ouvert, 𝐕𝐜𝐨
44.499 V
Courant de court-circuit, 𝐈𝐜𝐜
8.198 A
Tableau 1.1 : Paramètres du module PV étudié
13
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
La Figure (1.11) ci-dessous présente le block du module photovoltaïque dans l'environnement
SIMULINK.
Figure (1.11) : Block du module STP 17OS-24/Ab-1 dans SIMULINK
Nous avons étudié l’influence des paramètres extérieurs de ce module, l’éclairement et la
température sur les caractéristiques (courant-tension, puissance-tension).
10
Current (A)
8
6
100 oC
4
75 oC
50 oC
25 oC
2
0
0
5
10
15
20
25
Voltage (V)
30
35
40
0 oC
45
50
45
50
300
0 oC
Power (W)
250
25 oC
50 oC
200
o
75 C
100 oC
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Voltage (V)
30
35
40
Figure (1.12) : caractéristiques I-V et P-V d’un module d’une chaine à 1000 𝑊 ⁄𝑚2
14
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
1 kW/m2
8
Current (A)
0.75 kW/m2
6
0.5 kW/m2
4
0.25 kW/m2
2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
40
45
Voltage (V)
300
1 kW/m2
Power (W)
250
200
0.75 kW/m2
150
0.5 kW/m2
100
0.25 kW/m2
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
Voltage (V)
Figure (1.13) : caractéristiques I-V et P-V d’un module d’une chaine à 25 deg.C
a. Influence de la température
L’influence de la température est importante et a des conséquences pour la conception des
panneaux et des systèmes photovoltaïques.
La température est un paramètre essentiel puisque les cellules sont exposées aux rayonnements
solaires, susceptibles de les échauffer. De plus, une partie du rayonnement absorbé n’est pas
convertie en énergie électrique, il se dissipe sous forme de chaleur ; c’est pourquoi la
température de la cellule (T) est toujours plus élevée que la température ambiante (Ta).
EM
T = Ta + 800 (TUC − 20)
(1.14)
EM : Eclairement moyenne (W/m2)
𝑇𝑈𝐶 : Température d'utilisation de la cellule (°C)
La figure (1.12), montre que la tension et la puissance d’une cellule baisse fortement avec la
température. [19]
b. Influence de l’éclairement
L’énergie électrique produite par une cellule dépend de l’éclairement qu’elle reçoit sur sa
surface. La figure (1.13) représente la caractéristique courant-tension d’une cellule en fonction
de l’éclairement, à une température et une vitesse de circulation de l’air ambiant constantes, le
courant est directement proportionnel au rayonnement, contrairement à la tension qui ne varie
que très peu en fonction de l’éclairement figure (1.13).
15
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
1.8. Convertisseur DC/DC pour les systèmes d'énergie solaire
Un hacheur peut être réalisé à l'aide d'interrupteur électronique commandable à
l'ouverture et à la fermeture tels que les thyristors GTO ou les transistors bipolaire ou à effet de
champ à grille isolée fonctionnant en régime de commutation. Le principe d’un hacheur consiste
à établir puis interrompre périodiquement la liaison source- charge à l'aide de l'interrupteur
électronique. Celui-ci doit pouvoir être fermé ou ouvert à volonté afin d'avoir une tension de
sortie continue réglable. [20]
Les convertisseurs DC-DC (ou hacheurs) sont utilisés dans les systèmes d'énergie solaire pour
adapter la source continue à amplitude variable (panneau PV) à la charge qui demande en
général une tension DC constante. Les trois configurations de base sont :
 Convertisseur dévolteur.
 Convertisseur survolteur.
 Convertisseur dévolteur- survolteur.
1.8.1 Hacheur dévolteur (série)
Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie Vs est inférieure à celle
de l'entrée Vi. Pour un rapport cyclique « 𝛼 » donné, et en régime de conduction continu,
la tension moyenne à la sortie est donnée par : [21.22]
V s = α .V i
(1.15)
Figure (1.14) : Schémas de principe d’un hacheur série
1.8.2 Hacheur survolteur (ou parallèle)
Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie 𝑉𝑠 est supérieure à celle de
l’entrée 𝑉𝑖 . Pour un rapport cyclique « 𝛼 » donné, et en régime de conduction continu, la tension
moyenne à la sortie est donnée par :
16
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
1
Vs = 1−α Vi
(1.16)
Figure (1.15) : Schémas de principe d’un hacheur parallèle
1.8.3 Hacheur dévolteur - survolteur (série−parallèle)
Ce nom est lié au fait que la tension moyenne de sortie 𝑉𝑠 est inférieure ou supérieure à
celle de l’entrée 𝑉𝑖 .
Pour un rapport cyclique « α » donné, et en régime de conduction continu, la tension moyenne
à la sortie est donnée par :
Vs =
α
V
1−α i
(1.17)
Figure (1.16) : Schémas de principe d’un hacheur série-parallèle
1.9. Techniques d’MPPT
L’amélioration du rendement du système PV nécessite la maximisation de la puissance
du générateur PV. Cela est possible si le point de fonctionnement est bien choisi en adaptant
d’impédance de la charge à la source de tension. Le convertisseur DC/DC jouera le rôle d’un
adaptateur d’impédance assurant ainsi le fonctionnement au point optimal qui permet de
produire la puissance maximale du générateur PV.
17
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Donc, la maximisation de puissance de la source PV, revient à chercher ce point de
fonctionnement optimal.
Cette opération est dite MPPT ou « Maximum Power point Tracking ».
Donc, en intercalant un hacheur entre la source PV et la charge et avec le contrôle rigoureux du
rapport cyclique de ce dernier, un suivie continue de la puissance est assuré et la puissance
maximale est fournie.
Figure (1.17) : Commande MPPT
Figure (1.18) : répartition de la caractéristique selon le fonctionnement du hacheur utilisé
Dans la Figure (1.19) la zone 1 de la caractéristique courant-tension I-V est une zone de
fonctionnement dans le mode « hacheur dévolteur » et l’MPPT est assurée pour toute résistance
Ri comprise entre [0,𝑅𝑜𝑝𝑡 ],Ceci s’inverse pour la zone 2 de la caractéristique courant-tension
I-V qui présente la zone de fonctionnement dans le mode « hacheur survolteur » ou le
fonctionnement du MPPT est assuré pour toute résistance 𝑅𝑖 comprise entre [R opt ,∞], un choix
de convertisseur dévolteur ou survolteur pour une charge donnée est impératif, l’un peut utiliser
l’un des deux types de convertisseur selon la configuration du circuit, s’il y a une possibilité de
fluctuation de la tension demandée par la charge au-dessous est au-dessus de celle débité par la
source, un Hacheur dévolteur/survolteur s’avère nécessaire. [23]
18
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Divers travaux sur des commandes assurant un fonctionnement de type MPPT apparaissent
régulièrement depuis 1968, date de publication de la première loi de commande de ce type
adaptée à une source d’énergie renouvelable de type PV, en littérature on trouve fréquemment
les techniques de maximisation de puissance suivantes
MPPT basé sur la tension du circuit ouvert Voc
 Avec compensation de température
 Sans compensation de température
MPPT basé sur le courant de court-circuit Isc
Vrai MPPT
 Perturbation et observation. (P&O).
 La méthode incrémentation de la conductance
 Méthode de capacité parasite.
Chacune de ces techniques à ces propre avantages et inconvénients du point de vue simplicité,
efficacité et robustesse, dans notre travail, et puisque notre tâche principale est l’étude du
convertisseur multiniveau, en se contente par l’étude de Perturbation et observation. (P&O).
a. Principe des techniques “perturbation et observation” (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 1.19, 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, à partir de ces diveres
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 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 approprié.
En résumé, si suite à une perturbation de tension, la puissance 𝑃𝑝𝑣 augmente, la direction de
perturbation est maintenue, dans le cas contraire, elle est inversée pour reprendre la
convergence vers le nouveau PPM. La figure 1.19 représente l’algorithme classique associé à
19
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
une commande MPPT de type (P&O), où l’évolution de la puissance est analysée après chaque
perturbation de tension [24].
Figure 1.19 : Caractéristique P(V) d’un panneau solaire
Pour ce type de commande, deux capteurs (courant et tension du GPV) sont nécessaires pour
Déterminer la puissance du GPV à chaque instant.
Figure 1.20 : Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation
20
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Figure (1.21) : puissance de sortie avec technique MPPT et sans technique MPPT
1.10. Classification d'un système solaire photovoltaïque
Les systèmes photovoltaïques sont actuellement divisés en deux grandes catégories :
Les systèmes autonomes et les systèmes couplés au réseau. [13]
a. Système autonome
Le rôle des systèmes autonomes est d'alimenter un ou plusieurs consommateurs situés
dans Une zone isolée du réseau électrique. Comme on le remarque sur la figure (1.22) qui
représente l'exemple d'un système PV autonome, un système de stockage est associé aux
générateurs PV pour assurer l'alimentation à chaque instant et pendant plusieurs jours malgré
l'intermittence de La production.
Ce système de stockage représente une part très importante du coût de l'installation, et ces
conditions de fonctionnement sont très contraignantes. Par conséquent, des systèmes de gestion
de l'énergie ont été développé afin d'optimiser la durée de vie du système de stockage et de
réduire les coûts de fonctionnement. [25]
La gestion de l’énergie dans les systèmes PV autonomes est encore un thème de recherche très
présent dans le domaine du photovoltaïque Nous nous inspirerons de ces études pour notre
application.
21
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Figure (1.22) : Exemple de la structure d'un système PV autonome
b. Système connecté au réseau
La Figure (1.23) représente un système PV connecté au réseau électrique, dont le rôle
principal est de contribuer à la production d’électricité d’origine renouvelable sur le réseau.
D’un point de vue de la physique, l’énergie produite par les modules est directement
consommée par les charges locales de l’habitat. L’éventuel surplus de production par rapport à
la consommation instantanée est injecté sur le réseau. Le réseau est utilisé en appoint à la
production PV.
Actuellement, il est interdit d’utiliser un élément de stockage dans ces systèmes pour des raisons
économiques que nous expliquons ci-dessous.
Le contexte énergétique actuel fait que l’énergie photovoltaïque n’est pas concurrentielle face
aux prix de vente de l’électricité sur le réseau (quand celui-ci est présent).
C’est pourquoi, face aux réglementations sur la réduction des émissions de gaz à effet de serre
(cf. protocole de Kyoto) et à la réduction des ressources en énergie fossile (et par conséquent à
l’augmentation de leurs coûts), de nombreux états ont mis en place des mesures économiques
pour favoriser l’insertion des énergies renouvelables, dont le photovoltaïque. La mesure la plus
courante consiste à imposer au gestionnaire du réseau des tarifs d’achat incitatifs de l’énergie
PV de sorte que celle-ci devienne concurrentielle. D’autres mesures consistent à subventionner
directement le particulier sur le coût d’investissement. [25]
22
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Figure (1.23) : Exemple de la structure d’un système PV connecté au réseau
1.11. Avantages et inconvénients d’une installation PV
Avantage :
 D’abord, une haute fiabilité. L’installation ne comporte pas de pièces mobiles qui la
rendent particulièrement appropriée aux régions isolées. C’est la raison de son
utilisation sur les engins spatiaux.
 Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage
simple et adaptable à des besoins énergétiques divers. Les systèmes peuvent être
dimensionnés pour des applications de puissances allant du milliwatt au Mégawatt.
 le coût de fonctionnement est très faible vu les entretiens réduits et il ne nécessite ni
combustible, ni son transport, ni personnel hautement spécialisé.
 la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit
fini est non polluant, silencieux et n’entraîne aucune perturbation du milieu, sic n’est
par l’occupation de l’espace pour les installations de grandes dimensions.
Inconvénients :
 la fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologie et requiert des
investissements d’un coût élevé.
 le rendement réel de conversion d’un module est faible, de l’ordre de 10 -15 %, avec
une limite théorique pour une cellule de 28%. Les générateurs photovoltaïques ne sont
23
Chapitre Un
Généralités sur les systèmes photovoltaïques
compétitifs par rapport aux générateurs diesel que pour les faibles demandes d’énergie
en régions isolées.
 le faible rendement des panneaux photovoltaïques s’explique par le fonctionnement
même des cellules. Pour arriver à déplacer un électron, il faut que l’énergie du
rayonnement soit au moins égale à 1 eV. Tous les rayons incidents ayant une énergie
plus faible ne seront donc pas transformés en électricité. De même, les rayons lumineux
dont l’énergie est supérieure à 1 eV perdront cette énergie, le reste sera dissipé sous
forme de chaleur.
 tributaire des conditions météorologiques.
 lorsque le stockage de l’énergie électrique sous forme chimique (batterie) est
nécessaire, le coût du générateur est accru.
 le stockage de l’énergie électrique pose encore de nombreux problèmes. [26.13]
1.12. Conclusion
Ce chapitre nous a permis de donner un aperçu général sur les systèmes photovoltaïques, dans
la première partie un petit rappel sur la description des éléments d'un système photovoltaïques,
la deuxième partie on a présenté les différents types d’hacheur en tant qu’adaptateur
d’impédances, Ensuite les techniques de commandes associées sont discutées.
La troisième partie du chapitre est consacrée à la classification des systèmes solaire
photovoltaïques ainsi que leurs avantages et inconvénients.
24
CHAPITRE DEUX
GENERALITES SUR LES
ONDULEURS
MULTINIVEAUX
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
2.1. Introduction
Le travail présenté dans ce chapitre porte sur l’étude détaillé de l’onduleur de tension multiniveau, sa structure et son principe de fonctionnement, nous allons présenter les différents types
d’onduleurs multiniveaux, principe de fonctionnement et citation de quelques avantages et
inconvénients.
2.2 Convertisseurs statiques multi niveaux
Un convertisseur statique est dit « multi niveaux » lorsqu’il génère une tension découpée
de sortie composée d’au moins trois niveaux. Ce type de convertisseur présente essentiellement
deux avantages. D’une part les structures multi niveaux permettent de limiter les contraintes en
tension subies par les interrupteurs de puissance : chaque composant, lorsqu’il est à l’état
bloqué, supporte une fraction d’autant plus faible de la pleine tension continu que le nombre de
niveaux est élevé. D’autre part, la tension de sortie délivrée par les convertisseurs multi niveaux
présente d’intéressantes qualités spectrales. Le fait de multiplier le nombre de niveaux
intermédiaires permet de réduire l’amplitude de chaque front montant ou descendant de la
tension de sortie. L’amplitude des raies harmoniques est, par conséquent, d’autant moins
élevée, [13]. Dans le cas plus précis d’un fonctionnement en modulation de largeur d’impulsion,
le recours à un convertisseur multiniveaux associé à une commande judicieuse des composants
de puissance permet en outre de supprimer certaines familles de raies harmoniques.
2.3. Principe de l’onduleur multiniveaux
Par définition, l’onduleur de tension multiniveaux possède trois ou plusieurs niveaux ce
paragraphe a pour but d'introduire le principe général du comportement multiniveaux, la figure
(2.1) aide à comprendre comment travaillent les convertisseurs Multiniveaux. [27,28] Un
convertisseur à deux niveaux est représenté à la figure (2.1.a), dans Laquelle les commutateurs
semi-conducteurs ont été remplacés par un interrupteur idéal. La Tension de sortie ne peut
prendre que deux valeurs : 0 ou Vdc1. Sur la figure (2.1.b), la tension De sortie de trois niveaux
peut prendre trois valeurs : 0, Vdc1 ou Vdc1 + Vdc2.
Dans la figure (2.1.c) le cas général de m niveaux est présenté. [29]
26
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Figure (2.1) : Onduleur à niveaux multiples à deux (a), à trois (b) et à m niveaux (c)
En général, les convertisseurs multiniveaux peuvent être vus comme des synthétiseurs de
tension, dans lesquels la tension de sortie est synthétisée à partir de plusieurs niveaux de tension
discrets.
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 (2.2) représente les topologies des
onduleurs multiniveaux les plus récentes. [30]
Onduleurs multi-niveaux
Onduleurs de
tension à diode
de bouclage
Onduleurs à
condensateurs
flotteurs
Onduleurs en
cascade
Figure (2.2) : Différentes topologies des convertisseurs multi-niveaux
1. Onduleur de tension a diode de bouclage
Cette structure d’onduleur multiniveaux a été introduite par A. Nabae et H.Akagi en
1981.
L’objectif était de réduire l’amplitude des harmonique si injectés par l’onduleur dans la charge
pour des applications de type alimentation de moteur. [31]
L'onduleur NPC à trois et cinq niveau est illustré dans la Figure (2.3). [32]
27
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
a) –NPC trois niveaux
b)-NPC cinq niveaux
Figure (2.3) : Topologies d’onduleurs NPC
Pour la génération de trois niveaux de tension, la topologie NPC présente plusieurs avantages
par rapport à la topologie d’onduleur à deux niveaux. [33,34]
 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.
 Toutes les phases partagent le même bus continu.
 la fréquence fondamentale assure un haut rendement.
 La méthode de contrôle est relativement simple.
 La forme d'onde de trois niveaux résulte dans une meilleure qualité spectrale par rapport
à celle d'un onduleur triphasé classique, ce qui rend les filtres passifs peu volumineux.
 Par contre, cette topologie présente plusieurs difficultés techniques dans les cas de
grande Puissance tel que :
 Pour les topologies avec plus de trois niveaux, les diodes de bouclage peuvent
augmenter les contraintes en tension jusqu'à une valeur égale à E (N-1)/N. Donc, les
connexions des diodes en série pourraient être exigées et cela complique la conception
et soulève des questions de fiabilité et du coût de réalisation.
 Cette topologie exige des diodes de bouclage à vitesse de commutation élevée qui
doivent être capable de supporter le courant de la pleine charge.
 Différents calibres pour les appareils de commutation sont nécessaires en raison de leur
conduction cyclique. Le maintien de l’équilibre de la charge des condensateurs demeure
toujours une question ouverte pour les topologies des onduleurs NPC avec plus de trois
niveaux. Bien que le l’onduleur NPC à trois niveaux fonctionne avec un facteur de
28
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
puissance élevé, il est employé surtout dans les circuits de compensation. Cela est dû au
problème d’équilibrage des capacités.
2 Onduleur à condensateur flotteur (Convertisseur Multicellulaire Série (FC))
Le convertisseur multicellulaire est une topologie de conversion d’énergie qui repose sur la
mise en série d’interrupteurs commandés. Elle est apparue au début des années 1990 à la suite
d’un brevet déposé par Thierry A. Meynard et Henri Foch. [35]
Dans un premier temps, nous allons expliquer et détailler le fonctionnement, la commande et
les caractéristiques de l’onduleur multicellulaire série 3 niveaux (2 cellules). Les généralités et
particularités de la structure font ensuite l’objet d’un second paragraphe.
2 .4 Onduleur multicellulaire série 3 niveaux
La structure multicellulaire 3 niveaux est composée de 2 cellules, contenant chacune
deux interrupteurs, et connectées entre elles par un condensateur flottant Figure (2.4).
Il est important de constater que les interrupteurs T1 et T4, ou T2 et T3, ne doivent
jamais être passants en même temps pour ne pas court-circuiter les sources de tension. Ainsi,
les interrupteurs T1 et T4 (Respectivement T2 et T3) sont commandés de manière
complémentaire. Ces couples d’interrupteurs forment donc des cellules de commutation.
Figure (2.4) : Convertisseur Multicellulaire Série (a) représentation 1 – (b) représentation 2
Les tensions appliquées aux cellules de commutation sont imposées par les sources de
tension flottante ; ces dernières sont, dans le cas de la Figure (2.4), égales à E/ 2 quel que soit
l’état des interrupteurs. La contrainte en tension aux bornes des interrupteurs bloqués ne dépasse
donc pas cette valeur. Les cellules de commutation sont indépendantes les unes par rapport aux
autres et les semi-conducteurs découpent pendant l’intégralité de la période de modulation.
Il existe quatre configurations possibles pour un convertisseur multicellulaire 3 niveaux,
configurations présentées par la Figure (2.5).
29
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Cette structure permet d’obtenir trois niveaux de tension en sortie : 0 et ± E /2. Le niveau de
tension intermédiaire (0 V) peut être généré de deux manières différentes (cas C et D), ce qui
implique un transit d’énergie en fonction du sens de circulation du courant de charge. Cette
particularité permet de contrôler la tension aux bornes du condensateur flottant.
Figure (2 .5) : Configurations possibles du convertisseur multicellulaire série
Cette constatation a un impact significatif sur les éléments de filtrage par rapport aux structures
de conversion classiques. Néanmoins, si le nombre de cellules est supérieur à 5, la quantité
d’énergie stockée dans les condensateurs flottants a un impact considérable sur le prix de la
structure envisagée. Cette topologie est de nos jours considérée rentable jusqu’à 4 ou 5 cellules
pour les applications de forte puissance.
Ce type de convertisseur présente plusieurs avantages :
 Le concept de condensateur Flottant peut être appliquée à un certain nombre de
convertisseurs de différents types, DC /AC ou AC/ DC
 La plupart des stratégies de modulation sont facilement appliquée à cette topologie
 Les tensions sur les condensateurs sont automatiquement qui libérées par cette stratégie
de modulation conventionnelle. Si désiré, les tensions de condensateur peuvent être
activement contrôlées par une modification appropriée des signaux de commande.
 La charge est par défaut partagé équitablement entre les commutateurs.
 La topologie est modulaire et ne dépend pas d'un transformateur.
 Néanmoins, cette topologie présente quelque inconvénients, tel que :
 La topologie exige beaucoup de condensateurs à haute tension-beaucoup plus nombreux
que d’autres topologies. Ces condensateurs doivent conduire le courant de pleine charge
pendant au moins une partie du cycle de commutation .Heureusement, si la fréquence de
commutation est élevée, ces condensateurs peuvent généralement être relativement
faibles en valeur de la capacité.
30
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
 La topologie n’est pas intrinsèquement tolérante aux pannes. [36]
2.4.1. Onduleur de tension en cascade
Les onduleurs multiniveaux en cascade est une structure relativement nouvelle un onduleur
multiniveaux en cascade est tout simplement une connexion en série de plusieurs onduleurs
monophasés.
Les onduleurs multi-niveaux en cascade on introduit l'idée d'utiliser des sources DC séparée
pour produire une onde de tension AC. Chaque onduleur monophasé est connecté à sa propre
source en courant continue. Les sorties de chaque onduleur mono phasé est une onde de tension
alternative. Figure (2.6). [14]
Figure (2.6):Structure d'un onduleur multiniveau en cascade à cinq niveaux
Comme toutes structures, l’onduleur multi-niveaux en cascade possède des avantages et
inconvénients dont on peut citer:
Les avantages :
 Pour atteindre le même nombre de niveaux de tension, ce type de convertisseur nécessite
moins de composants.
 Contrairement à l’onduleur à diode de bouclage et à condensateur flottant, aucune diode
supplémentaire n‘est nécessaire.
 Fabrication modulaire, comme chaque pont monophasé a la même structure.
 La tension de sortie totale de phase est une sommation des tensions produites par
chaque onduleur monophasé.
 Les petites sources à courant continu sont généralement impliquées, ce qui entraîne
moins de problèmes de sécurité.
 Le nombre de niveaux possibles de tension de sortie est plus du double du nombre de
sources à courant continu (𝑁 = 2𝑠 + 1)
31
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Les inconvénients :
 Pour un système à trois phases, il faudra plus de commutateurs que dans un onduleur
traditionnel.
 Nécessité d'équilibrer les sources DC entre les différents niveaux.
 Besoin de plusieurs connecteurs/câbles pour connecter les sources DC. [37.38]
2.5. Stratégies de commande des onduleurs multiniveaux
Les stratégies de commande des convertisseurs multiniveaux sont adaptées de celles qui
sont appliquées aux convertisseurs à deux niveaux. Dans cette section, nous présentons
quelques-unes d’entre elles.
2.5.1. Commande par paliers
La méthode de commande par paliers consiste à quantifier la grandeur de référence
(l’image du fondamental), en un nombre déterminé de paliers, comme l’illustre Figure (2.7).
[39]
Cette méthode de commande offre deux degrés de liberté à l’utilisateur :
Le convertisseur peut être à pas uniforme, dans ce cas les tensions 𝐸1, 𝐸2, 𝐸3 = 𝐸.
Les angles de commutations 𝛼𝑖 sur une période (𝛼𝑖 , 𝑖 = 1 … 𝛼/ 2 ) peuvent donc être choisis
de façon à atteindre certaines performances.
Le pas de la tension et les angles de commutation peuvent être choisis afin de pouvoir
obtenir la minimisation du taux de distorsion harmonique, la suppression de certaines
harmoniques à basses fréquences entre autres.
Cette commande est facile à implémenter et pour passer d’un niveau de tension à l’autre les
angles de commutation peuvent être déterminés à l’avance.
Dans cette technique de commande, on constate que les différentes cellules n’ont pas
une même durée de conduction. Il en résulte donc un déséquilibre dans la répartition des pertes
par commutation et par conduction. Par une rotation adéquate des commutations, ces pertes
peuvent être équilibrées entre les différentes cellules, sans modification de l’onde de tension
générée à la sortie du convertisseur. [39]
32
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Figure (2.7) : Forme d’onde multiniveau (7 niveaux) générée par une commande par paliers
et tensions aux bornes de trois cellules en série sur une phase
2.6. Modulation Sinusoïdale (MS)
2.6.1. MS classique mono-porteuse
La technique de modulation de largeur d'impulsions (MLI ; en anglais : Pulse Width
Modulation, soit PWM), est la plus utilisée pour la commande des onduleurs classiques (deux
niveaux). C’est aussi la stratégie de modulation la plus utilisée dans les onduleurs multiniveaux
dite à modulation sinusoïdale [39].
Elle consiste à comparer d’une onde de référence ou modulante, généralement sinusoïdale
(Le signal à synthétiser) à une porteuse généralement triangulaire Figure (2.8). Le signal de
sortie change d’état à chaque intersection de la modulante et de la porteuse.
Figure (2.8) : MLI Classique intersective
2.6.2. Modulation sinusoïdale multi-porteuse
Dans les onduleurs multiniveaux, nous observons souvent les modulations sinusoïdales
multi-porteuses.
On peut diviser la modulation sinusoïdale multi-porteuse en trois catégories :
a. Classique
b. Commande modifiée de premier type
c. Commande modifiée de second type
33
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
En général, pour la commande d’un onduleur à k niveaux, nécessite k-1 ondes porteuses.
a. Modulation sinusoïdale multi-porteuse classique
Dans cette technique de modulation nous utilisons les différentes porteuses afin de
pouvoir construire toutes les commandes nécessaires à tous les interrupteurs. Dans cette
technique, la référence est comparée en permanence avec chacun des signaux triangulaires. Si
la référence est supérieure à un signal triangulaire, le signal de sortie vaut 1, donc l’interrupteur
correspond à cette modulation est actif, si la référence est inférieure à un signal triangulaire, le
signal de sortie change donc d'état.
A titre d’exemple, pour un onduleur à trois niveaux, les deux signaux triangulaires ont même
fréquence et même amplitude, c’est la modulation sinusoïdale à double triangle. Figure (2.9)
ci-dessous montre une modulation sinusoïdale avec deux signaux triangulaires figure (2.9)
[39].
Figure (2.9) : Principe de la MLI à doubles triangle
34
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
b. Modulation sinusoïdale modifiée de premier type (MSM1)
Ce genre de modulation permet de diminuer la valeur de la tension homopolaire générée
par les techniques de modulation MLI [39].
On y utilise trois signaux sinusoïdaux de référence𝑉𝑟𝑒𝑓1, 𝑉𝑟𝑒𝑓2 et 𝑉𝑟𝑒𝑓3 décalés de 120°, et
une seule onde porteuse. Les résultats de la comparaison donnent trois nouveaux signaux
respectivement 𝑉1, 𝑉2 et 𝑉3, figure (2.10). On combine ces signaux entre eux pour donner les
signaux :
𝑉𝑎𝑜 =
V𝑏𝑜 =
V𝑐𝑜 =
V1−V2
2
(2.5)
V2−V3
2
V3−V1
2
Figure (2.10) : Modulation sinusoïdale modifié
Afin de généraliser cette technique aux onduleurs de niveaux supérieurs à trois, on doit
déterminer le nombre de triangulaire requises pour les niveaux impairs. Cette relation est définie
par la relation suivante :
np =
K−1
(2.6)
2
35
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
np Est le nombre de triangulaires
𝐾 Est le nombre de niveau
c. Modulation sinusoïdale modifiée de deuxième type (MSM2)
Cette technique de modulation développée pour la première fois par Menzies est aussi
appelée MLI optimale (Sub-Harmonic Optimal ‘’SHO-PWM’’) figure (2.11).
Dans cette technique, on ajoute la troisième harmonique au signal de référence et ensuite nous
comparons le signal de référence avec les multi porteuses (multi triangulaire) selon la figure
(2.11) [39].
Cette méthode prend instantanément la moyenne du maximum et du minimum des trois tensions
de référence (𝑉𝑎, 𝑉𝑏, 𝑉𝑐, ) et soustrait cette valeur de chacune des tensions de référence, c'està-dire :
Voffset =
Max (Va , Vb , Vc ) + Min (Va , Vb , Vc )
2
VaSHO = Va − Voffset
(2.6)
VbSHO = Vb − Voffset
VcSHO = Vc − Voffset
Le schéma équivalent analogique pour la commande est illustré à la Figure (2.11)
Figure (2.11) : Circuit analogique qui ajoute la séquence de zéro pour SFO-PWM
Afin de pouvoir appliquer cette méthode aux onduleurs classiques, il faut connaitre :
𝐴
1) La modulation d’amplitude ; 𝑚𝑎 = 𝐴 𝑟
𝑝
2) Le rapport de fréquence ; 𝑚𝑓 =
𝑓𝑝
𝑓𝑟
36
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
L’amplitude de référence 𝐴𝑟
L’amplitude de porteuse 𝐴𝑝
La fréquence de référence 𝑓𝑟
La fréquence de porteuse 𝑓𝑝
Pour utiliser le MSM2 à un onduleur multiniveau, il faut connaitre trois paramètres importants
1) Le nombre de niveau est 𝑘
2) La modulation d’amplitude pour les onduleurs multiniveaux qui peut être calculé :
m𝑎 =
𝐴𝑟
(K − 1)𝐴𝑝
Dans la méthode SHO, la minimum et la maximum valeur de modulation peut être calculé
Comme
𝑚𝑎 𝑚𝑖𝑛 =
𝐾−3
𝐾 − 1,4
𝑚𝑎 𝑚𝑎𝑥 = 1.15
3) Le rapport de fréquence, 𝑚𝑓 =
𝑓𝑝
𝑓𝑟
Figure (2.12) : Forme d’ondes des multi porteuses est basé sur SFO-PWM (k = 6, mf = 21,
ma =0.8)
La technique SHO peut augmenter le taux de modulation de 15 pour cent pour attendre l’overmodulation (saturation)
Pour résumer les stratégies de commande les plus courantes, figure (2.13) illustre trois grandes
techniques de la méthode de porteuse utilisées dans un onduleur classique et qui peut être
également appliquée à un onduleur multiniveau : MLI sinusoïdale (MLIS ou en anglais
SPWM), Injection de troisième harmonique à MLI (THMLI ou en anglais THPWM ou encore
SHOPWM) MLI vectoriel (MLIV).
MLIS (en anglais SPWM) est une méthode très populaire dans les applications industrielles.
37
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
THPWM
SPWM
SVM
Figure (2.13) : Les trois techniques importantes pour la stratégie de commande
2.7. Modalisation d’onduleur à deux niveaux et multiniveau
a. Structure d’un onduleur de tension triphasé :
Comme il faut générer des créneaux de tension, seuls des interrupteurs sont suffisants Pour
réaliser ces interrupteurs (qui doivent être commandés facilement), on associe une diode et un
transistor.
Un onduleur triphasé est constitué de trois cellules de commutation dont les commandes
décalées entre elles d’1/3 de période permettent de reconstituer un système triphasé de tensions
et de courants.
38
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Figure (2.14) : Schéma d’onduleur de tension à deux niveaux triphasé
FFT window: 5 of 5 cycles of selected signal
50
0
-50
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
Time (s)
0.06
0.07
0.08
0.09
Fundamental (50Hz) = 69.03 , THD= 92.13%
20
Mag
15
10
5
0
0
100
200
300
400
500
600
Frequency (Hz)
700
800
900
1000
Figure (2.15) : Tension de sortie composée d’onduleur à deux niveaux triphasé
2.8 Onduleur à condensateur flottante à trois niveaux
L’idée de base de Onduleur à condensateur flottante est l’obtention d’un et tension de
sortie à trois niveaux par la superposition de deux interrupteurs supplémentaires
alimenté chacun par une source de tension continue distincte Avec l’utilisation d’une
commande triangle-sinusoïdal à 2 porteuses
Figure (2.16) : principe de la MLI à double triangle pour triphasé
39
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
Figure (2.17) : Schéma d’un onduleur à condensateur flottante à trois niveaux
FFT window: 4 of 5 cycles of selected signal
50
0
-50
0
0.01
0.02
0.03
0.04
Time (s)
0.05
0.06
0.07
Fundamental (50Hz) = 85.59 , THD= 36.24%
12
Mag (% of Fundamental)
10
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
Frequency (Hz)
1200
1400
1600
1800
2000
Figure (2.18) : Tension de sortie composée d’onduleur à condensateur flottante à trois
niveaux triphasé
Comparaison au niveau de THD entre Onduleur de tension à de niveaux et l’onduleur
à condensateur flottante à trois niveaux
THD
Triphasé à deux niveaux
92.13%
Triphasé trois niveaux
36,15 %
Tableau de Comparaison : taux de distorsion harmonique (THD)
40
Chapitre Deux
Généralités sur les onduleurs multiniveaux
2.9. CONCLUSION
Dans ce chapitre, on a présenté les différents types et l’étude de l’onduleur multiniveaux
qui présente notre intérêt dans cette étude. Les différentes topologies de base de ce dernier sont
données toute en exposant leur avantage et inconvénient à savoir :
 La topologie NPC permet de réduire le taux de distorsion harmonique, ainsi
L’augmentation du niveau des tensions générées
 La topologie à condensateur flottant aussi permet la réduction du taux de distorsion mais
elle constitue en un grand nombre de condensateur
 La topologie en cascade ou le nombre de niveaux possible de tension de sortie et plus
du double de nombre de sources à courant continu.
On a aussi présenté les différentes techniques de commande relative à ce type de convertisseur
et la modélisation du convertisseur multi-niveaux onduleur trois de type FC (condensateur
flottante) ainsi que la stratégie de commande adoptée, ce qui permet la simulation du système
(générateur photovoltaïque, onduleur multiniveaux) qu’on va présenter dans le chapitre suivant.
41
CHAPITRE TROIS
MODELISATION
ET SIMULATION
D’ONDULEUR ALIMENTE
PAR UN SYSTEME
PHOTOVOLTAÏQUE
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
3.1. Introduction
Dans ce chapitre, on va montrer le fonctionnement d’une source PV associé à un hacheur
parallèle (survolteur) commander par l’algorithme P&O MPPT, avec un onduleur deux, trois
niveaux triphasé connecté avec un moteur asynchrone comme une charge inductive
La simulation est réalisée sous environnement MATLAB/SIMULINK®.
3.2 Onduleurs aux systèmes photovoltaïques
Est le cœur de tout système photovoltaïque. Cet appareil transforme le courant
continu des panneaux solaires en courant alternatif. Il joue le rôle d’interface entre le
champ photovoltaïque et le réseau électrique
3.2.1. Les différents types d’onduleurs photovoltaïques [40]
a. Les onduleurs centralisés
Les onduleurs centralisés sont quasi exclusivement utilisés pour des systèmes
photovoltaïques de grande taille (> 100 kWc).
Ils permettent de disposer d’un seul onduleur pour tout le système. Leur puissance unitaire varie
de quelques kW à quelques MW.
La tension d’entrée de ces onduleurs varie entre 300 et 900 V et l’injection se fait
principalement en triphasé figure (3.1)
Figure (3.1) : Onduleur centralisé [40]
43
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
b. Les onduleurs modulaires avec 1 TRACKER MPPT
Les onduleurs modulaires mono MPPT sont les plus utilisés pour les installations de
particuliers. Ils ont des puissances de quelques kW. Chaque string de modules est raccordé
directement à l’onduleur, ce qui nécessite peu d’appareillage au niveau continu. Les tensions
d’entrée varient entre 150V et 800V et l’injection se fait dans la majorité des cas en monophasé.
Figure (3.2)
Figure (3.2) : Onduleur modulaire avec 1 TRACKER MPPT [40]
C. Les onduleurs modulaires avec plusieurs TRACKERS MPPT
Les onduleurs modulaires multi-trackers sont plus rares pour les installations de
particuliers. Ils comprennent un convertisseur DC/DC par sous champ photovoltaïque (une
partie des strings) qui permet un suivi de 𝑝𝑚𝑎𝑥 plus fin. Le convertisseur DC/AC est par contre
unique à l’ensemble du champ, ce type d’onduleurs permet une très grande flexibilité dans le
dimensionnement des systèmes (technologie, taille, orientation, inclinaison, ombrage) avec un
tracker pour chaque cas spécifique, ils sont particulièrement utilisés dans le cas de bâtiments
avec des pans de toiture d’orientation et/ou d’inclinaison différentes. Figure (3.3)
44
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
Figure (3.3) : Onduleur avec 2 MPPT [40]
Figure (3.4) : Mono-chaine (String)
Figure (3.5) : Multi-chaine (Multi-string)
45
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
3. 3. Simulation globale du système
 l’onduleur à deux niveaux dans système PV connecté au moteur asynchrone
Dans cette partie on va étamer la simulation du système globale constitué de la source PV,
L’MPPT, le convertisseur DC /AC pour alimenter un moteur asynchrone.
Figure (3.6) : Système globale avec Onduleur de tension à 2 niveaux
Figure (3.7) : Onduleur 2 niveaux avec Système globale
On remarque que le signal de sortie de la tension d’onduleur deux niveaux avec un THD
(38.80%) et on peut voir aussi que le signal prend la forme d’escalier
46
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
Figure (3.8) : le couple et la vitesse du moteur avec onduleur 2 niveaux
On note que la vitesse atteint son régime permanant dans un temps de 0.45 s Ce qui est
acceptable relativement on remarque aussi que le couple a un temps de réponse de 0.45 s
Figure (3.9) : Onduleur trois niveaux avec Système PV
On remarque que le signal de sortie de la tension d’onduleur deux niveaux a un temps de
réponse de 0.4 s avec un THD (29.84 %) on peut voir aussi que le signal prend la forme
d’escalier
47
Chapitre Trois
Modélisation et simulation d’onduleur alimente par un système photovoltaïque
Figure (3.10) : le couple et la vitesse du moteur avec onduleur trois niveaux
On note que la vitesse atteint son régime permanant dans un temps de 0.3 s Ce qui est
acceptable relativement on remarque aussi que le couple a un temps de réponse de 0.3 s
THD
Temps de réponse
Triphasé à deux niveaux
38.80%
0.45 s
Triphasé trois niveaux
29,84 %
0.3 s
Tableau de Comparaison : taux de distorsion harmonique (THD) et le temps de réponse
3.4 Interprétation des résultats
Après la simulation du système globale et afin de vérifier l’efficacité du module MPPT, une
perturbation sur l’éclairement et la température est ainsi admise.
Le module MPPT assure le fonctionnement à puissance optimale, on remarque que
l’augmentation du nombre de niveau, le taux distorsion harmonique est diminué si on alimente
notre système d’onduleur de 3 niveaux avec une charge inductive (moteur asynchrone) on
remarque que le temps de réponse sera mieux que l’onduleur à 2 niveaux
3.5 Conclusion
Dans ce chapitre, on a fait la simulation du système globale on a montré qu'elle présente un
taux d'harmoniques faible.
On a fait la comparaison entre système PV avec un onduleur deux niveaux et système PV avec
onduleur 3 niveau.
48
CONCLUSION
GENERALE
Conclusion générale
Conclusion générale
Le travail présenté dans ce mémoire concerne les applications des onduleurs
multiniveaux dans les systèmes photovoltaïques.
Ce mémoire est consacré à l'élaboration d’un système photovoltaïque à une charge inductive
(moteur asynchrone). Il consiste à choisir une configuration convenable d’onduleur FC qui sera
connecté au moteur asynchrone toute en assurant un fonctionnement optimal de la source PV.
Dans la première partie, nous avons étudié le principe du système photovoltaïque où on a
présenté le modèle des différents éléments constitutif (module, générateur, …..), les déférents
technique MPPT et les défirent types d’hacheur ainsi que les deux grandes catégories Les
systèmes autonomes et les systèmes couplés au réseau
Dans la deuxième partie, nous avons brièvement présenté les onduleurs multi-niveaux et leur
stratégie de commande nous avons représenté aussi le principe de fonctionnement des
onduleurs FC à trois niveaux mono, et triphasé associé à la commande triangule sinusoïdal à n
porteuses. Dans le troisième chapitre, on a présenté la simulation sous MATLAB/SIMULINK®
de l’ensemble « générateur PV, convertisseurs, MPPT, Onduleur FC et charge inductive comme
moteur asynchrone » où on fait une étude comparative entres la qualité d’onde issue des deux
type de convertisseurs, à savoir à 2 et 3 niveaux. L’étude spectrale a montré la supériorité du
convertisseur à 3 niveaux triphasé.
Néanmoins, on a montré aussi que l’augmentation de la fréquence de commutation peut
engendrer des ondes de tension acceptable avec un onduleur 3 niveaux. Bien sûre, le compromis
doit être joué entre la complexité de la configuration du convertisseur de puissance et la
commande qui lui est associée.
En perceptive, on compte d’amélioré le comportement des différents blocs ; à savoir :
-Convertisseur DC/DC : -possibilité d’utilisation d’un convertisseur multiniveau
-utilisation des techniques de commande intelligente
-Convertisseur DC/AC : -Inspection des nouvelles topologies
- Utilisation des technique MLI avancées (Vectorielle Ou Bien Commande par Mode Glissant)
50
P§/YT ?E2ds
Annexes
Annexes
Annexe A
La machine
Les paramètres de la machines
Pn= 4KW
Uab=400 V
f= 50 Hz
P=2
Nr= 1430 RPM
Machines
asynchrone
Rs= 1.405 ohm
Ls= 0.005839 H
Rr= 1.395 ohm
Lr=0.005839 H
Lm= 0.1722 H
J=0.0131 kg.m2
F=0.0029852 N .m . s
BIBLIOGRAPHIQUES
Bibliographiques
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‫الملخص‬
.‫ وخاصة الطاقة الشمسية الضوئية‬،‫تبدي الصناعات الرئيسية حاليا اهتماما متزايدا في مجال الطاقات المتجددة‬
‫ فمثال الجزائر لديها إمكانيات استثنائية نظرا لمساحتها‬.‫والتي هي األكثر استخداما وهذا بسبب خصائصها العديد‬
.‫الشاسعة وبالتالي هذا يمثل مصدرا كبيرا الستعمال هاته الطاقة‬
‫ هذا الجهاز يحويل التيار المستمر من األلواح الكهروضوئية‬.‫العاكس هو قلب كل النظام الطاقة الشمسية الضوئية‬
‫ وهكذا‬.‫ فبهذا قد يكون هو الرابط الرئيسي بين مراكز الطاقة الشمسية الضوئية والشبكة الكهربائية‬.‫الى تيار متناوب‬
‫ فهناك ثالثة‬.‫ التردد من ناحية ومن ناحية أخرى قيمة الجهد القصوى‬:‫يجب أن تلبي متطلبات الربط إلى خط الطاقة‬
‫ ذات سلسلة واحدة أو متعدد السالسل ومحوالت وحدوية وهناك‬،‫ وهي محوالت المركزية‬:‫أنواع من المحوالت‬
. ‫عدة أنواع مختلفة من العواكس‬
،‫والهدف من هذا العمل هو تطبيق محوالت متعددة المستويات في نظام الطاقة الشمسية التقديم مختلف أنواعه‬
‫ومختلف طرق التحكم وكيفية ربطه بالشبكة‬
‫الكلمات المفتاحية‬
‫ محوالت المركزية‬, ‫ محوالت متعددة المستويات‬, ‫العواكس‬
Abstract :
The major industry is being set up as shown by the growing interest in renewable energy particularly
solar energy. It is the most used energy because of its many qualities. And because Algeria has an
exceptional solar potential due to its large area witch represents an important source of photovoltaics.
The inverter is the most essentiel part in every photovoltaic system. This device converts the direct
current from solar panels into alternating current. It acts as an interface between the photovoltaic field
and the electrical grid. It must meet the requirements for interconnection to the power line: on one side
frequency and on the other side the maximum voltage value.
There are three types of inverters: namely central inverters, Mono-string or Multi-string inverters and
modular inverters. For each type, there is several topologies.
The objective of this work is the application of multi-level inverters in photovoltaic systems presenting
their different topologies, their contrôle and how they are interfaced to the grid
Keywords : Mono-String, Multi-String, Solar Systèmes, NPC, FC
Résumé
L’industrie majeure est en cours de constitution comme le montre l’intérêt croissant aux énergies
renouvelables en particulier l’énergie solaire. C’est l’énergie la plus utilisée à cause de ses nombreuses
qualités. Et comme l’Algérie comporte un gisement solaire exceptionnel grâce à sa grande superficie
donc elle représente une source importante de l’énergie photovoltaïque.
L’onduleur est le cœur de tout système photovoltaïque. Cet appareil transforme le courant continu des
panneaux solaires en courant alternatif. Il joue le rôle d’interface entre le champ photovoltaïque et le
réseau électrique. Il doit répondre aux exigences de l’interconnexion au réseau électrique : d’une part
la fréquence et d’autre part la valeur maximale de la tension. On distingue trois types d’onduleurs : à
savoir les onduleurs centraux, les onduleurs (mono-chaîne (string) ou multi-chaîne (multi-string)) et
les onduleurs modulaires. Pour chaque type, l’onduleur existe selon plusieurs topologies.
L’objectif de ce travail est l’application des onduleurs multi-niveaux dans les systèmes photovoltaïques
la présentation de leurs différentes topologies, leurs commandes et la manière dont ils sont interfacés
au réseau électrique
Mots clés : Mono-chaine – multi-chaine - système PV – NPC - FC
UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLAB.P. 511, 30 000, Ouargla. Algérie