Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau : Choix et

UNIVERSITE DE GRENOBLE
INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE
N° attribué par la bibliothèque
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T H E S E
pour obtenir le grade de
DOCTEUR DE L’Université de Grenoble
délivré par l’Institut polytechnique de Grenoble
Spécialité : « Génie Electrique »
préparée au laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab), UMR 5529
dans le cadre de l’Ecole Doctorale « Electrotechnique Electronique Automatique et Traitement du Signal »
présentée et soutenue publiquement par
Stéphane VIGHETTI
le 24 septembre 2010
Titre :
Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau :
Choix et dimensionnement des étages de conversion
Sous la direction de Jean-Paul Ferrieux et Yves Lembeye
EXEMPLAIRE PROVISOIRE
JURY
Mme. Corinne ALONSO , Rapporteur
M. Alfred RUFER , Rapporteur
M. Franck BARRUEL , Examinateur
M. Bertrand Rivet , Examinateur
M. Jean-Luc SCHANEN , Examinateur
M. Jean-Paul FERRIEUX , Directeur de thèse
M. Yves LEMBEYE , Co-encadrant

Introduction générale………………………………………………………..1
Chapitre I : Le Photovoltaïque et les convertisseurs statiques
1. INTRODUCTION .......................................................................................................................................6
2. LE PHOTOVOLTAÏQUE ..........................................................................................................................6
2.1. L A CELLULE PV .............................................................................................................................. 6
2.1.1. L’effet photovoltaïque................................................................................................................ 6
2.1.2. Caractéristique électrique – Modélisation ................................................................................ 7
2.1.3. Influence de la température et de l’éclairement........................................................................ 9
2.2. L ES TECHNOLOGIES ....................................................................................................................... 10
2.2.1. Le silicium cristallin................................................................................................................ 11
2.2.2. Les couches minces.................................................................................................................. 12
2.2.3. Cellules organiques et plastiques............................................................................................ 13
2.3. L E MODULE PV............................................................................................................................. 13
2.3.1. Mise en parallèle / série .......................................................................................................... 13
2.3.2. Conception d’un module.......................................................................................................... 14
2.3.3. La diode by-pass...................................................................................................................... 15
2.3.4. La sécurité contre courant....................................................................................................... 16
2.3.5. Fonctionnement à puissance maximale................................................................................... 16
2.3.6. Le mismatch............................................................................................................................. 18
3. LES INSTALLATIONS PV CONNECTEES AU RESEAU DE DISTRIBUTION.............................19
3.1. L ES FONCTIONS MACROSCOPIQUES ............................................................................................... 19
3.2. L ES TOPOLOGIES DE CHAMPS ........................................................................................................ 19
3.2.1. L’onduleur central................................................................................................................... 20
3.2.2. L’onduleur « rangée »............................................................................................................. 20
3.2.3. Le hacheur « rangée »............................................................................................................. 21
3.2.4. Le hacheur modulaire parallèle .............................................................................................. 22
3.2.5. Le hacheur modulaire série..................................................................................................... 23
3.2.6. Les autres topologies............................................................................................................... 23
4. LES CONVERTISSEURS POUR LE PV................................................................................................24
4.1. L ES STRUCTURES ISOLEES ............................................................................................................. 25
4.1.1. Les structures isolées en haute fréquence................................................................................ 25
4.1.2. Les structures isolées en basse fréquence................................................................................ 26
4.1.3. Bilan ........................................................................................................................................ 26
4.2. L ES STRUCTURES NON ISOLEES ..................................................................................................... 26
4.2.1. Conversion mono étage........................................................................................................... 27
4.2.2. Deux étages ............................................................................................................................. 28
4.2.3. Bilan ........................................................................................................................................ 29
4.3. S YNTHESE ..................................................................................................................................... 29
5. CONCLUSION ..........................................................................................................................................30
Table des matières

II Table des Matières
Chapitre II : Conception d’une topologie modulaire parallèle
1. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 34
2. LE PROJET SOLUTION PV................................................................................................................... 34
2.1. L ES AXES DU PROJET ......................................................................................................................34
2.2. L A SOLUTION PROPOSEE PAR LE PROJET S OLUTION PV..................................................................35
2.3. L E CAHIER DES CHARGES DU MICRO - HACHEUR ..............................................................................36
3. LES STRUCTURES ETUDIEES............................................................................................................. 36
3.1. L ES CONDITIONS D ’ ETUDE .............................................................................................................37
3.2. IDD B OOST ....................................................................................................................................37
3.2.1. La structure..............................................................................................................................37
3.2.2. Le rendement............................................................................................................................38
3.3. B OOST QUADRATIQUE MONO INTERRUPTEUR ................................................................................39
3.3.1. La structure..............................................................................................................................40
3.3.2. Le rendement............................................................................................................................40
3.4. D OUBLE B OOST CASCADE ..............................................................................................................41
3.4.1. La structure..............................................................................................................................41
3.4.2. Le rendement............................................................................................................................42
3.5. R ECAPITULATIF – C ONCLUSION .....................................................................................................43
4. REALISATION DU DOUBLE BOOST.................................................................................................. 44
4.1. O PTIMISATION DE LA TENSION INTERMEDIAIRE .............................................................................45
4.2. E TUDE DE L ’ ENTRELACEMENT .......................................................................................................46
4.3. L E PROTOTYPE ...............................................................................................................................47
4.4. L A FONCTION MPPT......................................................................................................................48
4.5. P ROCEDURE DE TEST ......................................................................................................................49
4.6. L ES AMELIORATIONS .....................................................................................................................50
4.6.1. Changement du régulateur 3,3V ..............................................................................................51
4.6.2. Optimisation de la résistance de grille.....................................................................................52
4.6.3. Redressement synchrone sur le Boost 1...................................................................................53
5. LES RESULTATS..................................................................................................................................... 54
5.1. M ESURE DU RENDEMENT EUROPEEN DU PREMIERE ETAGE .............................................................54
5.1.1. Mesure du rendement européen du premier étage...................................................................54
5.1.2. Mesure du rendement européen du premier étage avec redressement synchrone ...................55
5.2. M ESURE DU RENDEMENT EUROPEEN DE LA STRUCTURE COMPLETE ...............................................56
5.3. E STIMATION DU RENDEMENT EUROPEEN DU SECOND ETAGE .........................................................57
6. CONCLUSION.......................................................................................................................................... 58
Chapitre III : Optimisation d’une topologie modulaire série
1. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 62
2. LA SOLUTION RETENUE..................................................................................................................... 62
2.1. P RESENTATION DE LA SOLUTION ....................................................................................................63
2.1.1. Caractéristiques du circuit.......................................................................................................63
2.1.2. Avantages de cette solution......................................................................................................64
2.2. L A VALIDATION DE LA SOLUTION ..................................................................................................65
2.2.1. Fonctionnement normal...........................................................................................................65
2.2.2. Fonctionnement dégradé..........................................................................................................66
2.2.3. Limite de fonctionnement.........................................................................................................67
3. OPTIMISATION DE LA STRUCTURE................................................................................................ 68
3.1. L ES BORNES DE L ’ OPTIMISATION ...................................................................................................68
3.2. L’ OUTIL CADES ...........................................................................................................................69

Table des Matières III
3.3. L ES MODELES DE PERTES ............................................................................................................... 70
3.3.1. Les semi-conducteurs .............................................................................................................. 71
3.3.2. Les inductances ....................................................................................................................... 76
3.3.3. Les condensateurs.................................................................................................................... 77
3.4. L ES MODELES DE VOLUMES ........................................................................................................... 77
3.4.1. Les inductances ....................................................................................................................... 77
3.4.2. Les condensateurs.................................................................................................................... 77
3.4.3. Le refroidissement ................................................................................................................... 78
3.5. L ES RESULTATS ............................................................................................................................. 79
3.5.1. Maximisation du rendement Européen.................................................................................... 79
3.5.2. Minimisation du volume .......................................................................................................... 81
3.5.3. Vérification des résultats......................................................................................................... 82
3.5.4. Influence des paramètres......................................................................................................... 83
4. INTEGRATION DE L’OMBRAGE........................................................................................................85
4.1. E TUDE COMPARATIVE ................................................................................................................... 85
4.1.1. Comparaison de l’impacte de l’ombrage sur deux topologies ................................................ 85
4.1.2. Comparaison de l’impact de 8 cellules PV ombrées ............................................................... 86
4.2. E TUDE COMPLETE DE L ’ OMBRAGE ................................................................................................ 88
4.2.1. Le programme Matlab............................................................................................................. 88
4.2.2. Comparaison de l’énergie produite au cours d’une journée................................................... 90
4.2.3. Etude d’un ombrage typique sur une année ............................................................................ 92
4.2.4. Etude d’un scénario « intégré au bâti » sur les différentes topologies.................................... 93
5. CONCLUSION ..........................................................................................................................................94
Chapitre IV : Etude, réalisation et caractérisation d’une solution
d’équilibrage
1. INTRODUCTION .....................................................................................................................................99
2. LES STRUCTURES D’EQUILIBRAGE ................................................................................................99
2.1. L A PROBLEMATIQUE ..................................................................................................................... 99
2.2. L ES STRUCTURES ET LES APPLICATIONS ...................................................................................... 100
2.2.1. Equilibrage passif.................................................................................................................. 100
2.2.2. Equilibrage actif.................................................................................................................... 101
2.3. L E PRINCIPE DE L ’ EQUILIBRAGE ACTIF ........................................................................................ 101
3. ETUDE THEORIQUE............................................................................................................................102
3.1. L A STRUCTURE PROPOSEE ........................................................................................................... 102
3.1.1. La structure ........................................................................................................................... 102
3.1.2. La commande......................................................................................................................... 102
3.2. G ENERALISATION ........................................................................................................................ 104
3.3. L ES CONTRAINTES SUR LES COMPOSANTS ................................................................................... 105
3.3.1. Inductance ............................................................................................................................. 105
3.3.2. Semi-conducteurs................................................................................................................... 109
3.4. V ALIDATION DU FONCTIONNEMENT ET LIMITES .......................................................................... 111
3.4.1. A l’équilibre........................................................................................................................... 112
3.4.2. Mismatch ............................................................................................................................... 113
3.4.3. Générateurs nuls.................................................................................................................... 115
3.5. C ALCUL DES PERTES ................................................................................................................... 116
3.5.1. Inductances............................................................................................................................ 116
3.5.2. Semi-conducteurs................................................................................................................... 121
3.5.3. Commandes ........................................................................................................................... 123
3.6. A LGORITHME DE MPPT.............................................................................................................. 124
4. OPTIMISATION DU NOMBRE D’EQUILIBREUR..........................................................................124
4.1. L ES DIFFERENTES STRUCTURES ETUDIEES ................................................................................... 125