memoire présenté en vue de l’obtention du diplôme de...
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وزارةالتعلیمالعالي و البحثالعلمي
BADJI MOKHTAR-ANNABA UNIVERSITY
UNIVERSITE BADJI MOKHTARANNABA جامعةباجيمختار ةبانع-
Anneacutee 2019
Faculteacute Sciences de lrsquoingeacuteniorat
Deacutepartement Eacutelectrotechnique
MEMOIRE
Preacutesenteacute en vue de lrsquoobtention du diplocircme de MASTER
Intituleacute
ETUDE DE LA COMMANDE DE LA PUISSANCE ET
STOCKAGE DrsquoUN SYSTEME PHOTOVOLTAIumlQUE
DOMAINE Sciences et Technologies
Filiegravere Eacutelectrotechnique
Speacutecialiteacute Electrotechnique industrielle
Preacutesenteacute par
Lakhdara Amira
Devant le Jury
- Preacutesident Chine AGhani MAA UBMA
- Rapporteur Mohammedi M MCB UBMA
- Examinateur Soltani Fatma MCA UBMA
Merabet Leila MCB UBMA
Remerciements
Crsquoest avec un grand soulagement et une fierteacute que
jrsquoachegraveve ce modeste travail reacutealiseacute avec beaucoup
drsquoespoir de reacuteussite
Avant tout je tiens agrave remercier le bon dieu
Je remercie chaleureusement mon encadreur le Dr
Mohammedi Moufid pour avoir assurer de maniegravere
agreacuteable le suivi de mon travail et pour mrsquoavoir fait
profiter de son expeacuterience
Je tiens agrave exprimer ma reconnaissance au Professeur Mr Bahi Tahar pour toute sa gentillesse et ces petits soins face agrave ma curiositeacute ses encouragements sa disponibiliteacute et ses conseils aviseacutees qui mrsquoont permis de mener agrave bien ce travail Les honorables membres de jury trouveront en moi
toute la fierteacute que je ressens pour lrsquohonneur et le temps
qursquoils consacreront agrave me juger et le cas eacutecheacuteant agrave
mrsquoappreacutecier
Le grand meacuterite revient aussi agrave mes chers parents mes
beaux parents et agrave mon mari qui mrsquoont soutenu jusqursquoau
bout
Le mot de la fin revient agrave tous ceux qui mrsquoont aideacute de
preacutes ou de loin pour la reacutealisation de ce travail
Deacutedicaces
Je tiens agrave remercier avant tout le bon dieu de mrsquoavoir
permis drsquohonorer le souhait de mes parents mon mari et
mes enfants de me voire reacuteussir
Je saisie cette occasion meacutemorable dans le cours de ma
vie pour deacutedier ce modeste travail
A mes chers parents
A mon cher mari Mohamed
A mes chers enfants Anas et Inegraves
A mes chers fregraveres
A ma famille et ma belle famille
A mes collegravegues de promo 2019 (eacutelectrotechnique)
Reacutesumeacute
Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire de fin drsquoeacutetudes concerne lrsquoeacutetude et lrsquoanalyse de
fonctionnement drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque connecteacute agrave un reacuteseau eacutelectrique de
distribution et aussi agrave un systegraveme de stockage Le systegraveme est constitueacute essentiellement
drsquoune chaine photovoltaiumlque un reacuteseau eacutelectrique une batterie de stockage et une charge
triphaseacutee agrave courant alternatif La batterie et le reacuteseau sont destineacutes agrave couvrir le manque de
puissance demandeacutee par la charge Pour tester le fonctionnement sous diffeacuterentes conditions
meacuteteacuteorologiques notamment l variation de la tempeacuterature et drsquoirradiation une eacutetude par
simulation a eacuteteacute effectueacutee et les reacutesultats sont analyses et commenteacutes
Mots cleacutes Energies renouvelables eacutenergie solaire stockage gestion de puissance
commande simulation
Abstract
The work presented in this final dissertation concerns the study and analysis of the operation
of a photovoltaic conversion chain connected to a distribution grid and also to a storage
system The system consists essentially of a photovoltaic chain an electrical network a
storage battery and a three-phase AC load The battery and the network are intended to cover
the lack of power demanded by the load To test the operation under different meteorological
conditions including temperature variation and irradiation a simulation study was performed
and the results are analyzed and commented
Keywords Renewable energies solar energy storage power management control
simulation
ملخص
يتعلق العمل المقدم في هذه الرسالة النهائية بدراسة وتحليل تشغيل سلسلة تحويل كهروضوئية متصلة بشبكة توزيع وأيضا
ثالثي ACبنظام تخزين يتكون النظام بشكل أساسي من سلسلة الضوئية وشبكة كهربائية وبطارية تخزين وتحميل
تغطية نقص الطاقة التي يتطلبها الحمل الختبار العملية في ظل ظروف األرصاد الطور تهدف البطارية والشبكة إلى
الجوية المختلفة بما في ذلك التغير في درجة الحرارة واإلشعاع تم إجراء دراسة محاكاة وتحليل النتائج والتعليق عليها
إدارة الطاقة التحكم المحاكاة الكلمات المفتاحية الطاقات المتجددة الطاقة الشمسية التخزين
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Table des figures
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire 7
Figure 12 eacutevolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute 7
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 8
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le
soleil notion de la convention AM 10
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la
convention AM (Source NREL solar spectrum) 10
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque 12
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque 14
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule
photovoltaiumlque 15
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule
photovoltaiumlque 16
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque 17
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V) 19
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie 20
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en
parallegravele 21
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de E 22
Figure 28 Caracteacuteristique P=f(v) variation de E 22
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T 23
Figure 210 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T 23
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E 24
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E 24
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation 26
Figure 214 Peacuteriodes fermeture et ouverture drsquoun interrupteur 28
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute 29
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau 29
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux 30
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis 32
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI 32
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL 34
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL 35
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost 36
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b)
ouvert 37
Figure 3 3 Tension drsquoentreacuteeacute (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost 38
Figure 34 Commande PWM avec D=025 39
Figure 35 Commande PWM avec D=05 39
Figure 35 Commande PWM avec D=075 39
Figure 37 Structure de commande du MPPT 40
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension drsquoun panneau photovoltaiumlque 41
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO 41
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC 42
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC 42
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Remerciements
Crsquoest avec un grand soulagement et une fierteacute que
jrsquoachegraveve ce modeste travail reacutealiseacute avec beaucoup
drsquoespoir de reacuteussite
Avant tout je tiens agrave remercier le bon dieu
Je remercie chaleureusement mon encadreur le Dr
Mohammedi Moufid pour avoir assurer de maniegravere
agreacuteable le suivi de mon travail et pour mrsquoavoir fait
profiter de son expeacuterience
Je tiens agrave exprimer ma reconnaissance au Professeur Mr Bahi Tahar pour toute sa gentillesse et ces petits soins face agrave ma curiositeacute ses encouragements sa disponibiliteacute et ses conseils aviseacutees qui mrsquoont permis de mener agrave bien ce travail Les honorables membres de jury trouveront en moi
toute la fierteacute que je ressens pour lrsquohonneur et le temps
qursquoils consacreront agrave me juger et le cas eacutecheacuteant agrave
mrsquoappreacutecier
Le grand meacuterite revient aussi agrave mes chers parents mes
beaux parents et agrave mon mari qui mrsquoont soutenu jusqursquoau
bout
Le mot de la fin revient agrave tous ceux qui mrsquoont aideacute de
preacutes ou de loin pour la reacutealisation de ce travail
Deacutedicaces
Je tiens agrave remercier avant tout le bon dieu de mrsquoavoir
permis drsquohonorer le souhait de mes parents mon mari et
mes enfants de me voire reacuteussir
Je saisie cette occasion meacutemorable dans le cours de ma
vie pour deacutedier ce modeste travail
A mes chers parents
A mon cher mari Mohamed
A mes chers enfants Anas et Inegraves
A mes chers fregraveres
A ma famille et ma belle famille
A mes collegravegues de promo 2019 (eacutelectrotechnique)
Reacutesumeacute
Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire de fin drsquoeacutetudes concerne lrsquoeacutetude et lrsquoanalyse de
fonctionnement drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque connecteacute agrave un reacuteseau eacutelectrique de
distribution et aussi agrave un systegraveme de stockage Le systegraveme est constitueacute essentiellement
drsquoune chaine photovoltaiumlque un reacuteseau eacutelectrique une batterie de stockage et une charge
triphaseacutee agrave courant alternatif La batterie et le reacuteseau sont destineacutes agrave couvrir le manque de
puissance demandeacutee par la charge Pour tester le fonctionnement sous diffeacuterentes conditions
meacuteteacuteorologiques notamment l variation de la tempeacuterature et drsquoirradiation une eacutetude par
simulation a eacuteteacute effectueacutee et les reacutesultats sont analyses et commenteacutes
Mots cleacutes Energies renouvelables eacutenergie solaire stockage gestion de puissance
commande simulation
Abstract
The work presented in this final dissertation concerns the study and analysis of the operation
of a photovoltaic conversion chain connected to a distribution grid and also to a storage
system The system consists essentially of a photovoltaic chain an electrical network a
storage battery and a three-phase AC load The battery and the network are intended to cover
the lack of power demanded by the load To test the operation under different meteorological
conditions including temperature variation and irradiation a simulation study was performed
and the results are analyzed and commented
Keywords Renewable energies solar energy storage power management control
simulation
ملخص
يتعلق العمل المقدم في هذه الرسالة النهائية بدراسة وتحليل تشغيل سلسلة تحويل كهروضوئية متصلة بشبكة توزيع وأيضا
ثالثي ACبنظام تخزين يتكون النظام بشكل أساسي من سلسلة الضوئية وشبكة كهربائية وبطارية تخزين وتحميل
تغطية نقص الطاقة التي يتطلبها الحمل الختبار العملية في ظل ظروف األرصاد الطور تهدف البطارية والشبكة إلى
الجوية المختلفة بما في ذلك التغير في درجة الحرارة واإلشعاع تم إجراء دراسة محاكاة وتحليل النتائج والتعليق عليها
إدارة الطاقة التحكم المحاكاة الكلمات المفتاحية الطاقات المتجددة الطاقة الشمسية التخزين
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Table des figures
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire 7
Figure 12 eacutevolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute 7
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 8
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le
soleil notion de la convention AM 10
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la
convention AM (Source NREL solar spectrum) 10
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque 12
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque 14
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule
photovoltaiumlque 15
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule
photovoltaiumlque 16
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque 17
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V) 19
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie 20
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en
parallegravele 21
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de E 22
Figure 28 Caracteacuteristique P=f(v) variation de E 22
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T 23
Figure 210 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T 23
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E 24
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E 24
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation 26
Figure 214 Peacuteriodes fermeture et ouverture drsquoun interrupteur 28
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute 29
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau 29
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux 30
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis 32
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI 32
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL 34
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL 35
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost 36
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b)
ouvert 37
Figure 3 3 Tension drsquoentreacuteeacute (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost 38
Figure 34 Commande PWM avec D=025 39
Figure 35 Commande PWM avec D=05 39
Figure 35 Commande PWM avec D=075 39
Figure 37 Structure de commande du MPPT 40
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension drsquoun panneau photovoltaiumlque 41
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO 41
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC 42
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC 42
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Deacutedicaces
Je tiens agrave remercier avant tout le bon dieu de mrsquoavoir
permis drsquohonorer le souhait de mes parents mon mari et
mes enfants de me voire reacuteussir
Je saisie cette occasion meacutemorable dans le cours de ma
vie pour deacutedier ce modeste travail
A mes chers parents
A mon cher mari Mohamed
A mes chers enfants Anas et Inegraves
A mes chers fregraveres
A ma famille et ma belle famille
A mes collegravegues de promo 2019 (eacutelectrotechnique)
Reacutesumeacute
Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire de fin drsquoeacutetudes concerne lrsquoeacutetude et lrsquoanalyse de
fonctionnement drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque connecteacute agrave un reacuteseau eacutelectrique de
distribution et aussi agrave un systegraveme de stockage Le systegraveme est constitueacute essentiellement
drsquoune chaine photovoltaiumlque un reacuteseau eacutelectrique une batterie de stockage et une charge
triphaseacutee agrave courant alternatif La batterie et le reacuteseau sont destineacutes agrave couvrir le manque de
puissance demandeacutee par la charge Pour tester le fonctionnement sous diffeacuterentes conditions
meacuteteacuteorologiques notamment l variation de la tempeacuterature et drsquoirradiation une eacutetude par
simulation a eacuteteacute effectueacutee et les reacutesultats sont analyses et commenteacutes
Mots cleacutes Energies renouvelables eacutenergie solaire stockage gestion de puissance
commande simulation
Abstract
The work presented in this final dissertation concerns the study and analysis of the operation
of a photovoltaic conversion chain connected to a distribution grid and also to a storage
system The system consists essentially of a photovoltaic chain an electrical network a
storage battery and a three-phase AC load The battery and the network are intended to cover
the lack of power demanded by the load To test the operation under different meteorological
conditions including temperature variation and irradiation a simulation study was performed
and the results are analyzed and commented
Keywords Renewable energies solar energy storage power management control
simulation
ملخص
يتعلق العمل المقدم في هذه الرسالة النهائية بدراسة وتحليل تشغيل سلسلة تحويل كهروضوئية متصلة بشبكة توزيع وأيضا
ثالثي ACبنظام تخزين يتكون النظام بشكل أساسي من سلسلة الضوئية وشبكة كهربائية وبطارية تخزين وتحميل
تغطية نقص الطاقة التي يتطلبها الحمل الختبار العملية في ظل ظروف األرصاد الطور تهدف البطارية والشبكة إلى
الجوية المختلفة بما في ذلك التغير في درجة الحرارة واإلشعاع تم إجراء دراسة محاكاة وتحليل النتائج والتعليق عليها
إدارة الطاقة التحكم المحاكاة الكلمات المفتاحية الطاقات المتجددة الطاقة الشمسية التخزين
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Table des figures
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire 7
Figure 12 eacutevolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute 7
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 8
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le
soleil notion de la convention AM 10
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la
convention AM (Source NREL solar spectrum) 10
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque 12
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque 14
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule
photovoltaiumlque 15
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule
photovoltaiumlque 16
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque 17
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V) 19
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie 20
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en
parallegravele 21
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de E 22
Figure 28 Caracteacuteristique P=f(v) variation de E 22
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T 23
Figure 210 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T 23
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E 24
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E 24
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation 26
Figure 214 Peacuteriodes fermeture et ouverture drsquoun interrupteur 28
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute 29
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau 29
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux 30
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis 32
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI 32
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL 34
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL 35
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost 36
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b)
ouvert 37
Figure 3 3 Tension drsquoentreacuteeacute (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost 38
Figure 34 Commande PWM avec D=025 39
Figure 35 Commande PWM avec D=05 39
Figure 35 Commande PWM avec D=075 39
Figure 37 Structure de commande du MPPT 40
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension drsquoun panneau photovoltaiumlque 41
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO 41
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC 42
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC 42
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
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INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Reacutesumeacute
Le travail preacutesenteacute dans ce meacutemoire de fin drsquoeacutetudes concerne lrsquoeacutetude et lrsquoanalyse de
fonctionnement drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque connecteacute agrave un reacuteseau eacutelectrique de
distribution et aussi agrave un systegraveme de stockage Le systegraveme est constitueacute essentiellement
drsquoune chaine photovoltaiumlque un reacuteseau eacutelectrique une batterie de stockage et une charge
triphaseacutee agrave courant alternatif La batterie et le reacuteseau sont destineacutes agrave couvrir le manque de
puissance demandeacutee par la charge Pour tester le fonctionnement sous diffeacuterentes conditions
meacuteteacuteorologiques notamment l variation de la tempeacuterature et drsquoirradiation une eacutetude par
simulation a eacuteteacute effectueacutee et les reacutesultats sont analyses et commenteacutes
Mots cleacutes Energies renouvelables eacutenergie solaire stockage gestion de puissance
commande simulation
Abstract
The work presented in this final dissertation concerns the study and analysis of the operation
of a photovoltaic conversion chain connected to a distribution grid and also to a storage
system The system consists essentially of a photovoltaic chain an electrical network a
storage battery and a three-phase AC load The battery and the network are intended to cover
the lack of power demanded by the load To test the operation under different meteorological
conditions including temperature variation and irradiation a simulation study was performed
and the results are analyzed and commented
Keywords Renewable energies solar energy storage power management control
simulation
ملخص
يتعلق العمل المقدم في هذه الرسالة النهائية بدراسة وتحليل تشغيل سلسلة تحويل كهروضوئية متصلة بشبكة توزيع وأيضا
ثالثي ACبنظام تخزين يتكون النظام بشكل أساسي من سلسلة الضوئية وشبكة كهربائية وبطارية تخزين وتحميل
تغطية نقص الطاقة التي يتطلبها الحمل الختبار العملية في ظل ظروف األرصاد الطور تهدف البطارية والشبكة إلى
الجوية المختلفة بما في ذلك التغير في درجة الحرارة واإلشعاع تم إجراء دراسة محاكاة وتحليل النتائج والتعليق عليها
إدارة الطاقة التحكم المحاكاة الكلمات المفتاحية الطاقات المتجددة الطاقة الشمسية التخزين
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Table des figures
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire 7
Figure 12 eacutevolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute 7
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 8
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le
soleil notion de la convention AM 10
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la
convention AM (Source NREL solar spectrum) 10
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque 12
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque 14
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule
photovoltaiumlque 15
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule
photovoltaiumlque 16
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque 17
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V) 19
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie 20
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en
parallegravele 21
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de E 22
Figure 28 Caracteacuteristique P=f(v) variation de E 22
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T 23
Figure 210 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T 23
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E 24
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E 24
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation 26
Figure 214 Peacuteriodes fermeture et ouverture drsquoun interrupteur 28
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute 29
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau 29
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux 30
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis 32
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI 32
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL 34
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL 35
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost 36
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b)
ouvert 37
Figure 3 3 Tension drsquoentreacuteeacute (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost 38
Figure 34 Commande PWM avec D=025 39
Figure 35 Commande PWM avec D=05 39
Figure 35 Commande PWM avec D=075 39
Figure 37 Structure de commande du MPPT 40
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension drsquoun panneau photovoltaiumlque 41
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO 41
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC 42
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC 42
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Table des figures
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire 7
Figure 12 eacutevolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute 7
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 8
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le
soleil notion de la convention AM 10
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la
convention AM (Source NREL solar spectrum) 10
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque 12
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque 14
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule
photovoltaiumlque 15
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule
photovoltaiumlque 16
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque 17
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V) 19
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie 20
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en
parallegravele 21
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de E 22
Figure 28 Caracteacuteristique P=f(v) variation de E 22
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T 23
Figure 210 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T 23
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E 24
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E 24
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation 26
Figure 214 Peacuteriodes fermeture et ouverture drsquoun interrupteur 28
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute 29
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau 29
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux 30
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis 32
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI 32
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL 34
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL 35
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost 36
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b)
ouvert 37
Figure 3 3 Tension drsquoentreacuteeacute (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost 38
Figure 34 Commande PWM avec D=025 39
Figure 35 Commande PWM avec D=05 39
Figure 35 Commande PWM avec D=075 39
Figure 37 Structure de commande du MPPT 40
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension drsquoun panneau photovoltaiumlque 41
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO 41
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC 42
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC 42
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Table des figures
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E
=1000Wm2 43
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2 43
Figure 41 Structure de la chaine de conversion 44
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 45
Figure43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge 45
Figure 44 Lrsquoeacutechange de puissance entre le panneau et le reacuteseau 46
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie 45
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie
(chargedeacutecharge) 49
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck-Boost 50
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI 50
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost 51
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V 52
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V 53
Figure412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V 54
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V 55
Figure414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage 56
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante) 56
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie 57
Figure417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge 58
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
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1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Liste des tableaux
A LAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Liste des tableaux
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium 13
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC 27
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
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1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Nomenclature
GPV Geacuteneacuterateur photovoltaiumlque
PV Cellule photovoltaiumlque
PPM Maximum power point
MPPT Maximum power point tracking
DC Courant continu
AC Courant alternatif
PampO Perturb and observe
E Ensoleillement Irradiation
T Temperature
Vpv Tension du panneau
Ipv Courant du panneau
Voc tension de circuit ouvert
Icc courant de court circuit
VOPT Tension optimale
IOPT Courant optimal
sR reacutesistance seacuterie
pR reacutesistance parallegravele
chR reacutesistance de charge
VMax tension maximale
IMax intensiteacute maximale
ns Nombre de cellules en seacuterie
np Nombre de cellules en parallegravele
K semi conducteur
Tf peacuteriodes de fermeture du semi conducteur
To peacuteriodes drsquoouverture du semi conducteur
Tc peacuteriode de cycle de commande
D rapport cyclique
PLL Phase Locked Loop
MLI Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions
PWM MLI en anglais Pulse With Modulation
iaribricr Courant du reacuteseau
VarVbrVcr Tension du reacuteseau
Vi Tension drsquoentreacutee du hacheur
V0 Tension de sortie du hacheur
Pr Puissance active du reacuteseau
Pch Puissance active de la charge
Q Puissance reacuteactive de la charge
SOC state-of-charge
Vbat Tension de la batterie
Ibat Courant de la batterie
Pbat Puissance de la batterie
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
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1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
SOMMAIRE
Introduction geacuteneacuterale 1
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES 11 Introduction 03
12 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables 03
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables 04
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients 05
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques 05
1222 Avantages 05
1223 Inconveacutenients 06
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique 06
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie 08
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque 09
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques 12
17 Conclusion 14
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction 15
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque 15
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent 16
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV) 20
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques 21
2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique 21
2322 Interpreacutetation des reacutesultats 25
24 Convertisseurs statiques 25
241 Introduction 25
242 Types des converisseurs DC-DC (Hacheur) 26
2421 Hacheur 26
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale 28
26 Onduleur pour PV 28
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur 30
27 Reacuteseau filtre et PLL 33
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique 33
272 Modeacutelisation du filtre 33
273 Circuit de synchronisation 35
28 Conclusion 35
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction 36
32 Hacheur survolteur (Boost-converter) 36
33 Principe de la meacutethode 40
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance 40
35 Conclusion 43
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
CHAPITRE 4
CONTROLE DE PUISSANCES ET STOCKAGE
41 Introduction 44
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution 44
421 Simulation de la chaine 45
43 Stockage 47
431 Modeacutelisation de la batterie 47
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge 49
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost 49
434 Dimensionnement du reacutegulateur 50
44 Choix de la batterie 51
441 Reacutesultat de simulation 52
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage 56
451 Simulation du fonctionnement 56
46 Conclusion 58
Conclusion geacuteneacuterale 59
Reacutefeacuterences 60
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 1
INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Introduction geacuteneacuterale
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INTRODUCTION GENERALE
Le besoin en eacutenergie eacutelectrique nrsquoa pas cesse de croitre depuis plusieurs anneacutees conseacutecutives
exigeant en conseacutequence une consommation importante des eacutenergies fossiles telles que le
charbon le gaz naturel le peacutetrole lrsquouranium etc hellip Cependant la consommation accrue de
ce type de sources fossiles pour la production de lrsquoeacutelectriciteacute accentue lrsquoeacutemission de gaz agrave
effet de serre et augmente la pollution Alors produire de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base drsquoeacutenergies
renouvelables est une solution prometteuse pour produire proprement et palier au problegraveme
du reacutechauffement climatique de notre planegravete auxquels le monde est confronteacute
On distingue plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes hydrauliques
biomasses geacuteothermiques solaires ect Les systegravemes solaire sont des eacutenergies agrave ressource
illimiteacutee (ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine) dont le principale inconveacutenient est leur
deacutependance des conditions climatiques Ils preacutesentent des caracteacuteristiques significatives par
rapport aux autres sources drsquoeacutenergies renouvelables car le soleil est disponible et qursquoen outre
les technologies de leurs exploitations ainsi que leurs secteurs drsquoapplications ont atteint un
degreacute de maturiteacute tregraves avanceacute Donc gracircce agrave cet inteacuterecirct et les objectifs attendus le domaine
des eacutenergies renouvelables a susciteacute des recherches appliqueacutees tregraves approfondies favorisant
ainsi un deacuteveloppement significatif de ce secteur Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais
de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles Lrsquoeacutenergie solaire fait partie des
eacutenergies renouvelables
Ainsi lrsquoobjectif de ce travail est lrsquoeacutetude drsquoun systegraveme de conversion photovoltaiumlque raccordeacute
au reacuteseau de distribution connecteacute avec un systegraveme de stockage
Le contenu de ce meacutemoire est structureacute en quatre (4) chapitres qui sont preacutesenteacutes comme
suit
Dans le premier chapitre on preacutesente les notions fondamentales sur le domaine de la
conversion drsquoeacutenergie agrave base des eacutenergies renouvelables (ER) Les types des ER sont deacutefinis
et leurs principes drsquoexploitation preacutesenteacutes Toutefois une grande importance est reacuteserveacutee aux
systegravemes de conversion solaire domaine de cette eacutetude
Dans le deuxiegraveme chapitre la modeacutelisation des parties constituant de systegraveme de
conversion eacutetudieacute sont deacuteveloppeacutes Chaque eacuteleacutement de la chaine est deacutefinit et son modegravele
matheacutematique deacuteveloppeacute Cependant les caracteacuteristiques courant-tension et puissance ndash
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
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tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Introduction geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019
Page 2
tension des cellules photovoltaiumlques sont analyseacutees sous diffeacuterentes conditions de
raccordement des cellules et variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Le troisiegraveme chapitre est consacreacute exclusivement agrave lrsquoeacutetude de lrsquoextraction de la
puissance maximale que peut deacutevelopper un panneau solaire quelques soient les conditions
meacuteteacuteorologiques A cet effet la meacutethode drsquooptimisation PampO perturbation et Observation
est deacuteveloppeacutee et son algorithme preacutesenteacute
Le quatriegraveme chapitre traite la gestion des puissances du systegraveme photovoltaiumlque le
reacuteseau eacutelectrique et la batterie de stockage Au deacutebut le systegraveme de stockage nrsquoeacutetant pas
brancheacute on analyse lrsquoeacutecoulement de puissance entre le systegraveme PV le reacuteseau et une charge
triphaseacutee alternative Dans ce cas diffeacuterents scenarios sont simuleacutes et analyseacutees pour valide le
fonctionnement en basculement de la puissance Par la suite lrsquointeacuterecirct de stocker lrsquoeacutenergie
produite en excegraves par le systegraveme photovoltaiumlque eacutetant souligne on preacutesente drsquoabord une eacutetude
sur le choix de la batterie de stockage puis on analyse son effet (charge et deacutecharge) dans
lrsquoensemble du systegraveme
Enfin une conclusion geacuteneacuterale qui reacutesume lrsquoessentiel des reacutesultats obtenus de nos
travaux est donneacutee
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 3
CHAPITRE 1
NOTIONS SUR LES SYSTEMES PHOTOVOLTAIQUES
11 Introduction
Le besoin mondiale en eacutenergie eacutelectrique pour le deacuteveloppement eacuteconomique dans le monde
lrsquoindustrialisation et confort des personnes nrsquoa pas cesseacute de croitre durant le siegravecle preacuteceacutedent et a
causeacute par conseacutequent une pollution aggraveacutee de lrsquoatmosphegravere [1] Cette pollution est reacutesultat de
lrsquoutilisation excessive des eacutenergies fossiles pour la production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique Donc il
srsquoavegravere neacutecessaire que pour assurer la satisfaction de la demande en besoin eacutenergeacutetique de
remplacer les eacutenergies fossiles qui sont senseacutes ecirctre ineacutevitablement eacutepuiseacutees dans un proche avenir
par lrsquoencouragement de lrsquoutilisation des eacutenergies renouvelables car elles sont eacuteconomiques durables
et peu polluantes Dans ce cas les cellules photovoltaiumlques constituent les eacuteleacutements de base de la
technologie photovoltaiumlque Elles convertissent le rayonnement solaire en courant eacutelectrique par
effet photovoltaiumlque [1] Sachant que la quantiteacute de lrsquoeacutenergie solaire qui arrive sur la surface de
terre apregraves avoir traverseacute lrsquoatmosphegravere est drsquoenviron 1000Wm2 dans les zones tempeacutereacutees et
1400Wm2 quand lrsquoatmosphegravere est faiblement pollueacutee
La production drsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire repose essentiellement sur deux
technologies la premiegravere concerne celle des panneaux photovoltaiumlques ougrave les semi-conducteurs
produisent un courant eacutelectrique sous lrsquoeffet de la lumiegravere et la seconde concerne les centrales
solaires thermiques ougrave des miroirs sont utiliseacutees pour concentrer le rayonnement solaire sur un
point focal afin drsquoavoir des tempeacuteratures tregraves eacuteleveacutees (400 agrave 1000degC) pour produire lrsquoeacutelectriciteacute
1 2 Types et deacutefinitions des sources des eacutenergies renouvelables
Les sources des eacutenergies fossiles sont celles qui sont issues de la fossilisation de matiegravere organique
dans le sous-sol terrestre alors que les eacutenergies renouvelables sont issues de pheacutenomegravenes naturels
reacuteguliers ou constants provoqueacutes par les astres dont principalement le soleil [2] Les gisements
des eacutenergies fossiles sont tregraves localiseacutes et souvent eacuteloigneacutes des lieux drsquoutilisation Contrairement
les eacutenergies renouvelables sont deacutecentraliseacutees et sont disponibles partout sur toute la planegravete bien
que ce soit en quantiteacutes diffeacuterentes Cependant la densiteacute eacutenergeacutetique des eacutenergies fossiles est tregraves
supeacuterieure aux eacutenergies renouvelables En effet sans utilisation de technologies pour concentrer les
eacutenergies renouvelables elles ne peuvent produire de grandes puissances Toutefois les sources
fossiles sont eacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine par contre les eacutenergies renouvelables sont assez
rapidement renouvelables pour ecirctre consideacutereacutees comme ineacutepuisables agrave lrsquoeacutechelle humaine
Lrsquoeacutenergie solaire est capteacutee par des cellules photovoltaiumlques dont le rocircle est de produire de
lrsquoeacutelectriciteacute lorsqursquoelle est exposeacutee agrave la lumiegravere Plusieurs cellules peuvent ecirctre connecteacutees entre
elles pour former un module solaire photovoltaiumlque ou un panneau photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 4
121 Types des sources drsquoeacutenergies renouvelables
Dans la nature on relegraveve plusieurs types de sources renouvelables notamment eacuteoliennes
hydrauliques biomasses geacuteothermiques solaires ecthellip [2]
bull Energie eacuteolienne pour cette eacutenergie les pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques se caracteacuterisent par
des deacuteplacements de masses drsquoair agrave lrsquointeacuterieur de lrsquoatmosphegravere que lrsquoeacutenergie eacuteolienne
transforme en eacutenergie eacutelectrique
bull Energie hydraulique les eacutenergies hydrauliques (agrave lrsquoexception de lrsquoeacutenergie mareacutemotrice)
sont les origines essentiellement des pheacutenomegravenes meacuteteacuteorologiques Principalement
lrsquoeacutevaporation de lrsquoeau des oceacuteans cumule une eacutenergie potentielle de pesanteur degraves quelle soit en
altitude Par la suite la valeur drsquoeau se transforme en pluie (eau) qui a son retour vers les oceacuteans
peut ecirctre capteacutee et transformeacutee dans des barrages hydroeacutelectrique Drsquoautres eacutenergies
hydrauliques existent et pr oviennent geacuteneacuteralement de sources marines
Energie des vagues le mouvement des vagues peut ecirctre capteacute par des dispositifs tels le
Peacutelamis (sorte de ver en meacutetal articuleacute) le Searev ou encore le PH4S pour ecirctre
transformeacutee en eacutelectriciteacute
Energie mareacutemotrice cette eacutenergie est produite gracircce au mouvement de la quantiteacute de
lrsquoeau creacutee par les mareacutees (variation du niveau de la me courants de mareacutee)
Energie hydrolienne elle est issue de lrsquoutilisation des courants sous-marins
Energie thermique des mers elle est produite en exploitant la diffeacuterence de tempeacuterature
entre les eaux superficielles et les eaux profondes des oceacuteans
Energie osmotique elle a pour origine la diffusion ionique due agrave la rencontre (meacutelange)
de lrsquoeau douce avec lrsquoeau saleacutee de la mer (pheacutenomegravene drsquoosmose)
bull Energie biomasse il srsquoagit drsquoeacutenergie solaire stockeacutee sous forme organique gracircce agrave la
photosynthegravese et exploiteacutee par combustion ou meacutetabolisation Elle est renouvelable agrave condition
que les quantiteacutes bruleacutees nrsquoexcegravedent pas les quantiteacutes produites
bull Energie geacuteothermique le principe consiste agrave extraire lrsquoeacutenergie geacuteomeacutetrique contenue dans le
sol afin de lrsquoutiliser pour chauffer ou la transformer en eacutelectriciteacute
bull Energie solaire le soleil eacutemet un rayonnement eacutelectromagneacutetique dans lequel se trouvent
notamment les rayons cosmiques gamma X la lumiegravere visible lrsquoinfrarouge les micro-ondes et
les ondes radios en fonction de la freacutequence drsquoeacutemission Tous ces types de rayonnements
eacutelectromagneacutetiques veacutehiculent de lrsquoeacutenergie Le niveau de lrsquoirradiation (le flux eacutenergeacutetique)
mesureacute agrave la surface de la terre deacutepend de la longueur drsquoonde du rayonnement solaire
Deux grandes familles drsquoutilisation de lrsquoeacutenergie solaire agrave cycle court se distinguent
Lrsquoeacutenergie solaire thermique utilisation de la chaleur transmise par rayonnement
Lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque utilisation du rayonnement lui-mecircme pour produire de
lrsquoeacutelectriciteacute
Energie solaire thermique lrsquoeacutenergie thermique peut ecirctre utiliseacutee directement ou indirectement
Directement pour chauffer des locaux ou de lrsquoeau sanitaire (serres architecture bioclimatique
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 5
panneaux solaires chauffants et chauffe-eau solaire) ou des aliments (fours solaires)Et i
indirectement pour la production de vapeur drsquoun fluide caloporteur pour entrainer des turbines et
ainsi obtenir une eacutenergie eacutelectrique (eacutenergie solaire thermodynamique (ou heacutelio
thermodynamique))
Energie photovoltaiumlque lrsquoeacutenergie photovoltaiumlque se base sur lrsquoeffet photoeacutelectrique pour creacuteer
un courant eacutelectrique continu Cette source de lumiegravere peut ecirctre naturelle (soleil) ou artificielle
(une ampoule)
Il existe plusieurs technologies de modules solaires photovoltaiumlques [2]
Les modules solaires monocristallins ont le meilleur rendement au m2 et sont essentiellement
utiliseacutes lorsque les espaces sont restreints et pour optimiser la production drsquoune central
photovoltaiumlque
Les modules solaires poly-cristallins repreacutesentent une technologie proposant des rendements
plus faibles que la technologie monocristalline
Les modules solaires amorphes sont des panneaux solaires proposants un rendement largement
infeacuterieur aux modules solaires cristallins Cette solution neacutecessite donc une plus grande surface
pour la mecircme puissance installeacutee
122 Inteacuterecirct du PV avantages et inconveacutenients
1221 Inteacuterecirct des systegravemes photovoltaiumlques
La production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave partir de lrsquoeacutenergie solaire neacutecessite lrsquoutilisation de modules
photovoltaiumlques [3 4] Lorsque les particules du rayonnement solaire atteignent la surface
des cellules photovoltaiumlques ils transmettent leur eacutenergie aux eacutelectrons de la cellule
provoquant leur mouvement et par conseacutequent la production drsquoun courant continu qui
pourrait eacuteventuellement ecirctre transformeacute en courant alternatif par un onduleur afin drsquoecirctre
injecteacute dans le reacuteseau de distribution
Lrsquointeacuterecirct de lrsquoutilisation des systegravemes photovoltaiumlques reacuteside en premier lieu comme tant
une alternative pour produire proprement de lrsquoeacutenergie eacutelectrique en preacutevision de
lrsquoeacutepuisement eacuteminent des eacutenergies fossiles Drsquoautres parts lrsquoencouragement de leurs
utilisations contribuent fortement agrave la diminution u taus de rejets polluants dans
lrsquoatmosphegravere et agrave la preacuteservation des ressources naturelles
1222 Avantages
La technologie photovoltaiumlque preacutesente un grand nombre drsquoavantages [2]
bull haute fiabiliteacute
bull approprieacutes aux reacutegions isoleacutees et aux utilisations sur les engins spatiaux car ne comporte pas de
piegraveces mobiles
bull Les panneaux photovoltaiumlques sont adaptables agrave des besoins eacutenergeacutetiques divers
bull Leurs coucircts de fonctionnement tregraves faibles
bull Bonne qualiteacutes sur le plan eacutecologique utilisation sur les engins spatiaux non polluant
silencieux et nrsquoentraine aucune perturbation du milieu si ce nrsquoest par lrsquooccupation de lrsquoespace
pour les installations de grandes dimensions etchellip
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 6
1222 Inconveacutenients
Le systegraveme photovoltaiumlque preacutesente toutefois des inconveacutenients [2] dont on note principalement
bull Produit des deacutechets du au deacutemantegravelement des installations de production en fin de vie
bull La fabrication du module photovoltaiumlque relegraveve de la haute technologie et requiert des
investissements drsquoun coucirct eacutelegraveve
bull Le rendement de conversion drsquoun module est faible de 28 pour les cellules au silicium
cristallin
bull Les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques ne sont compeacutetitifs par rapport aux geacuteneacuterateurs diesel que pour
des faibles demandes drsquoeacutenergie en reacutegion isoleacutee
bull Le cout coucirct du geacuteneacuterateur photovoltaiumlque serait eacuteleveacute si le stockage de lrsquoeacutenergie eacutelectrique dans
des batteries est neacutecessaire
bull La fiabiliteacute et les performances deacutependent du choix de la batterie et des composants de
reacutegulations qui lui sont associeacutes
13 Eacutenergie dans le monde et probleacutematique
La production de lrsquoeacutenergie eacutelectrique agrave base des ressources naturelles constitue une alternative agrave la
protection de lrsquoenvironnement la seacutecuriteacute drsquoapprovisionnement et agrave lrsquoindeacutependance eacutenergeacutetique
En effet malgreacute qursquoalors les coucircts de deacuteveloppement des technologies et des investissements dans
les eacutequipements de production pegravesent sur le coucirct des eacutenergies renouvelables lrsquoagence internationale
des eacutenergies renouvelables (IRENA) estime qursquoagrave lrsquo avenir les eacutenergies renouvelables seront les
moins chegraveres et aux prix stables gracircce aux encouragements drsquoinnovations technologiques reacuteguliegraveres
afin de produire de lrsquoeacutenergie agrave des conditions compeacutetitives Effectivement selon IRENA le coucirct de
lrsquoeacutelectriciteacute produite agrave base drsquoeacuteolien baissera de 26 drsquoici agrave 2025 puis encore de 40 drsquoici agrave 2040
et de 58 drsquoici agrave 2050 Et celui agrave base du soleil de 59 drsquoici agrave 2025 [5] Cependant la capaciteacute
renouvelable installeacutee dans le monde en 2016 a deacutepasseacute les nouvelles installations fossiles et
nucleacuteaires et le nombre de travailleurs qui travaillent dans le secteur des eacutenergies renouvelables a
atteint 98 millions de personnes Les eacutenergies renouvelables devront couvrir 58 des besoins en
eacutelectriciteacute et produisent plus de 4000GW drsquoici agrave 2040 [6]
Le BP a publieacute dans [7] preacutesente qursquoau total les eacutenergies fossiles auraient compteacute pour 852 de la
consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire en 2017 le peacutetrole reste de loin la principale source
drsquoeacutenergie du mix eacutenergeacutetique mondial (342) avec une hausse de la consommation de 17 million
de barils par jour (Mbj) en 2017
La figure 11 montre lrsquoeacutevolution de la consommation mondiale drsquoeacutenergie primaire [7]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 7
Figure 11 Consommation de lrsquoeacutenergie primaire
La progression des eacutenergies renouvelables (25 de la production eacutelectrique mondiale en 2017)
Pour rappel le GIEC estime qursquoil serait neacutecessaire pour atteindre la cible de lrsquoaccord de Paris de
faire baisser de 40 agrave 70 lrsquoensemble des eacutemissions mondiales de gaz agrave effet de serre drsquoici agrave 2050
(par rapport au niveau de 2010) avec une eacuteconomie quasiment neutre en carbone durant la
deuxiegraveme partie du 21egraveme siegravecle
Figure 12 Evolution de la production mondiale drsquoeacutelectriciteacute
Les sources fossiles sont menaceacutees drsquoeacutepuisement agrave court ou moyen terme Les sceacutenarios de
production drsquoeacutenergie de lrsquoAssociation for Study of Peak Oil [8] est illustreacute par la figure 13 Elle
montre la production drsquoeacutenergies fossiles preacutedite par habitant et par an et la consommation drsquoeacutenergie
totale en eacutenergie fossiles et renouvelables On remarque clairement que la courbe qui repreacutesente la
production rapporteacutee agrave la population mondiale preacutesente un maximum vers ou avant lrsquoanneacutee 2020
puis deacutecroit la cause est que la production nrsquoest plus capable de satisfaire la demande Alors que la
zone verte repreacutesente lrsquoeacutecart entre la consommation totale drsquoeacutenergie et la production drsquoeacutenergies
fossiles indique le besoin en eacutenergies renouvelables
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
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Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 8
Figure 13 Preacutevisions des besoins en eacutenergies renouvelables jusqursquoau 2150 [8]
En conseacutequence les besoins en eacutenergie augmentent et les reacuteserves drsquoeacutenergies fossiles diminuent
Par conseacutequent il est incontestablement le temps drsquoencourager la production drsquoeacutenergie agrave base des
ressources renouvelables afin de continuer agrave satisfaire les besoins mondiaux en eacutenergie eacutelectrique
Le solaire photovoltaiumlque connecteacute au reacuteseau repreacutesente lrsquoessentiel de la production mondiale
drsquoeacutelectriciteacute solaire Malgreacute la croissance du marcheacute photovoltaiumlque dans le monde la production
eacutelectrique deacuteveloppeacutee par les panneaux photovoltaiumlques reste encore tregraves faible dans les mix
eacutelectriques nationaux
14 Production drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie
La situation geacuteographique de lrsquoAlgeacuterie lui offre lrsquoavantage de disposer dun des gisements solaires
des plus importants au monde avec un ensoleillement annuel de plus de 3 500 heures Par ailleurs
le potentiel de lrsquoAlgeacuterie en eacutenergies renouvelables eacutetant fortement domineacute par le solaire le
gouvernement algeacuterien considegravere cette eacutenergie comme une opportuniteacute et un levier de
deacuteveloppement eacuteconomique et social notamment agrave travers limplantation dindustries creacuteatrices de
richesse et demplois En effet le programme en eacutenergies renouvelable pour les besoins deacutelectriciteacute
du marcheacute national permettra la creacuteation de plusieurs milliers demplois directs et indirects Crsquoest
pourquoi le programme adopteacute par le gouvernement algeacuterien en 2011 et qui a eacuteteacute reacuteviseacute en 2015
sur les eacutenergies renouvelables notamment les photovoltaiumlques lrsquoeacuteoliennes et etc hellip vise agrave
produire 22000MW drsquoici lrsquoanneacutee 2030 [9] alors que seulement 5 de la production totale
drsquoeacutelectriciteacute en Algeacuterie provenait des sources renouvelables (hydraulique et solaire) et que le gaz
naturel est la principale ressource eacutenergeacutetique Cette ambition megravene agrave ce que 37 de la capaciteacute
installeacutee dici 2030 et 27 de la production deacutelectriciteacute destineacutee agrave la consommation nationale
soient dorigine renouvelable A ce or on compte lrsquoinstallation de 23 centrales photovoltaiumlques et
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 9
une production de 500MW seulement au vu de lrsquoobjectif agrave atteindre Ainsi lAlgeacuterie sest vue
engageacutee dapporter des solutions globales et durables aux deacutefis environnementaux et aux
probleacutematiques de preacuteservation des ressources eacutenergeacutetiques dorigine fossile
Les eacutenergies renouvelables sont deacutesormais de plus en plus compeacutetitifs que les combustibles fossiles
[10] Cette derniegravere reacutefeacuterence indique que lrsquoAfrique du Sud (18 GW) et lrsquoAlgeacuterie (environ 04 GW)
sont les deux pays posseacutedant le plus de capaciteacutes installeacutees agrave la fin 2017
15 Principe de la conversion photovoltaiumlque
Lrsquoeffet photovoltaiumlque a eacuteteacute deacutecouvert par Antoine Becquerel en 1839 mais il a fallu attendre
presque un siegravecle pour que les scientifiques approfondissent et exploitent ce pheacutenomegravene de la
physique Le mode drsquoutilisation drsquoun systegraveme solaire est baseacute sur les exigences techniques
eacuteconomiques et geacuteomeacutetriques Alors il y a principalement trois modes Autonome Hybride et
raccordeacutee au reacuteseau
Systegraveme autonome
Les systegravemes autonomes sont installeacutes pour alimenter un ou plusieurs consommateurs situeacutes dans
une zone isoleacutee du reacuteseau eacutelectrique Un tel mode drsquoutilisation neacutecessite geacuteneacuteralement lrsquoinsertion
drsquoun systegraveme de stockage associeacute aux geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques (PV) afin drsquoassurer
lrsquoalimentation agrave chaque instant de la journeacutee et la nuit et pendant plusieurs jours quelque soit les
conditions meacuteteacuteorologiques
Systegraveme hybride
Les systegravemes hybrides reccediloivent une partie de leur eacutenergie drsquoune ou plusieurs sources
suppleacutementaires qui sont eacutegalement indeacutependants des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute En
pratique le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est combineacute agrave une eacuteolienne ou agrave un groupe eacutelectrogegravene agrave
combustible ou aux deux agrave la fois avec des accumulateurs de stockage de lrsquoeacutenergie [11]
Systegraveme PV raccordeacute au reacuteseau
Une installation PV peut ecirctre connecteacutee en parallegravele avec le reacuteseau drsquoeacutelectriciteacute Les panneaux
solaires sont connecteacutes en seacuterie pour former des chaines (strings en anglais) eux mecircme relieacutes agrave un
onduleur La tache de lrsquoonduleur est de transformer le courant continu sortant des panneaux en
courant alternatif Chaque onduleur est choisi en fonction de la puissance des panneaux et peut
accueillir un ou plusieurs strings [12] Si la consommation locale est supeacuterieure agrave la production de
lrsquoinstallation PV lrsquoappoint est fourni par le reacuteseau Dans le cas contraire lrsquoeacutenergie est fournie au
reacuteseau public et sert agrave alimenter les consommateurs
Le rayonnement solaire est constitueacute de photons dont la longueur drsquoonde srsquoeacutetend de lrsquoultraviolet agrave
lrsquoinfrarouge [13-15] Pour caracteacuteriser le spectre solaire en termes drsquoeacutenergie eacutemise on utilise la
notion AM pour laquo Air Mass raquo Dans lrsquoespace hors atmosphegravere terrestre (AM0) lrsquoeacutenergie
transporteacutee par le rayonnement solaire sur une distance soleil-terre est de lrsquoordre de 1350Wmsup2
(Figure 14) En traversant lrsquoatmosphegravere le rayonnement solaire subit une diminution et une
modification de son spectre ducirc aux pheacutenomegravenes drsquoabsorption et de diffusion dans les gaz Sa valeur
est de lrsquoordre de 1000 Wmsup2 au niveau du sol agrave 90deg drsquoinclinaison (AM1)
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 10
Figure 14 Normes de mesures du spectre drsquoeacutenergie lumineuse eacutemis par le soleil notion de la
convention AM [15]
La valeur du rayonnement global reccedilu au sol est deacutetermineacutee en ajoutant agrave ce dernier le rayonnement
diffus qui concerne le rayonnement dont la trajectoire entre le soleil et le point dobservation nest
pas geacuteomeacutetriquement rectiligne et qui est disperseacute ou reacutefleacutechi par latmosphegravere ou bien le sol En
consideacuterant ceci on obtient une reacutefeacuterence du spectre global noteacutee AM15 avec une puissance de
1000Wmsup2 La Figure15 correspondant agrave latitudes indiqueacutees [16-17]
Figure 15 Spectres Solaires releveacutes dans plusieurs conditions selon la convention AM (Source
NREL solar spectrum) [17]
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 11
Lrsquoeffet photovoltaiumlque est deacutecouvert en 1839 par Antoine Becquerel dans une pile constitueacutee par
des eacutelectrodes de platine et de cuivre oxydeacute plongeant dans une solution eacutelectrolytique acide Plus
geacuteneacuteralement on qualifie de photoeacutelectriques tous les pheacutenomegravenes eacutelectriques provoqueacutes par
lrsquoaction de la lumiegravere sur la matiegravere qui provoquent une eacutejection drsquoeacutelectrons du mateacuteriau
lrsquoeacutemission photoeacutelectrique la photoconductiviteacute et lrsquoeffet photovoltaiumlque
Agrave ce dernier est eacutegalement associeacute par le choix judicieux drsquoun mateacuteriau adapteacute lrsquoapparition de
forces eacutelectromotrices ce qui permet une conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement en
eacutenergie eacutelectrique Du point de vue historique ces diffeacuterents effets sont deacutecouverts
expeacuterimentalement au cours du 19egraveme siegravecle Mais ce nrsquoest qursquoen 1905 qursquoAlbert Einstein legraveve les
difficulteacutes poseacutees par lrsquointeraction entre lumiegravere et matiegravere en introduisant les quanta de lumiegravere
pour interpreacuteter la loi du rayonnement proposeacutee en 1900 par Max Planck Albert Einstein produit
une theacuteorie qui explique les pheacutenomegravenes photoeacutelectriques en introduisant le concept de photons agrave
la fois particule et onde Dans cette theacuteorie on deacutemontre que lrsquoeacutenergie drsquoun photon est entiegraverement
transfeacutereacutee agrave un eacutelectron du mateacuteriau et que le courant photoeacutelectrique est proportionnel au nombre
de photons donc au flux lumineux
Du point de vue eacutenergeacutetique le rayonnement eacutelectromagneacutetique solaire est constitueacute de photons de
longueur drsquoonde λ transportant une eacutenergie donneacutee par la relation
chhE
== (11)
Avec
E (J) eacutenergie en Joule
h (Js) constante de Planck (h= 662607004 times 10-34 m2 kg s)
c (msminus1) vitesse de la lumiegravere (c= 299 792 458 m s)
λ (m) longueur drsquoonde (souvent exprimeacutee en micromegravetre)
ν (Hz) freacutequence
On obtient donc la relation suivante qui lie lrsquoeacutenergie du photon exprimeacutee en eacutelectron-volt (eV) et sa
longueur drsquoonde exprimeacutee en μm par
mEev 24191= (12)
La conversion photovoltaiumlque est donc deacutefinie comme la transformation de lrsquoeacutenergie des photons en
eacutenergie eacutelectrique gracircce au processus drsquoabsorption de la lumiegravere par la matiegravere [18]
Le fonctionnement des cellules PV repose sur un effet physique appeleacute lrsquoeffet photovoltaiumlque qui
se traduit par la transformation directe de la lumiegravere en eacutelectriciteacute (courant continu CC) Son
principe reacuteside en une collision des photons incidents (flux lumineux) avec les eacutelectrons libres et les
eacutelectrons de valence en leur communiquant une eacutenergie (h v) si cette eacutenergie est supeacuterieur ou eacutegale
agrave lrsquoeacutenergie de gap de ce semi-conducteur deacutefinit par lrsquoeacutequation (13) lrsquoeacutelectron passe de la bande
de valence agrave la bande de conduction en laissant un trou derriegravere lui drsquoougrave lrsquoapparition des paires
eacutelectron-trou dans diffeacuterents points de la jonction [2]
vcg EEE +=
(13)
Donc toute particule minoritaire preacutes de la jonction a une probabiliteacute tregraves forte pour la traverser et
la jonction srsquooppose uniquement le passage des porteurs majoritaires Si les photons ont une eacutenergie
tregraves supeacuterieure agrave gE ils ne seront pas absorbeacutes et leurs eacutenergies ne contribuent pas agrave la conversion
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 12
photovoltaiumlque La longueur drsquoonde correspondant au maximum de photons est de lrsquoordre de 650
nm Lrsquoexpression qui exprime lrsquoeacutenergie drsquoun photon est donneacutee par la relation suivante
chE = (14)
Ainsi plus la longueur drsquoonde est courte plus lrsquoeacutenergie du photon est grande Cette deacutecouverte
value agrave Albert Einstein le prix Nobel en 1905
Lrsquoeffet photovoltaiumlque crsquoest-agrave-dire la production drsquoeacutelectriciteacute directement de la lumiegravere fut
observeacutee la premiegravere fois en 1839 par le physicien franccedilais Edmond Becquerel Toutefois ce nrsquoest
qursquoau cours des anneacutees 1950 que les chercheurs des laboratoires Bell aux Etats-Unis parvinrent agrave
fabriquer la premiegravere cellule photovoltaiumlque lrsquoeacuteleacutement primaire drsquoun systegraveme photovoltaiumlque Il
constitue la conversion directe de lrsquoeacutenergie du rayonnement solaire en eacutenergie eacutelectrique au moyen
de cellules geacuteneacuteralement agrave base de silicium Pour obtenir une puissance suffisante les cellules sont
relieacutees entre elles et constituent le module solaire
16 Cellule et geacuteneacuterateur photovoltaiumlques
Une cellule photovoltaiumlque (PV) est un capteur constitueacute drsquoun mateacuteriau semi-conducteur qui
transforme lrsquoeacutenergie lumineuse absorbeacutee en courant eacutelectrique [2] Le principe de
fonctionnement est baseacute sur les proprieacuteteacutes drsquoabsorption du rayonnement lumineux par des
mateacuteriaux semi-conducteurs Le choix des mateacuteriaux utiliseacutes pour la construction des cellules PV
se fait en fonction des proprieacuteteacutes physiques des eacutelectrons qui sont susceptibles drsquoecirctre libeacutereacutes de
leurs atomes lorsqursquoils sont exciteacutes par des photons provenant du spectre solaire Une fois
libeacutereacutee le deacuteplacement de ces eacutelectrons dans le mateacuteriau forme un courant eacutelectrique de type
continu qui donne naissance agrave une force eacutelectromotrice aux bornes de la cellule Ce pheacutenomegravene
physique est appeleacute effet photovoltaiumlque La figure 16 illustre la constitution drsquoune cellule
photovoltaiumlque en silicium
Figure 16 Structure drsquoune cellule photovoltaiumlque
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 13
Une cellule PV est reacutealiseacutee agrave partir de deux couches de silicium une dopeacutee P (dopeacutee au bore) et
lrsquoautre dopeacutee N (dopeacutee au phosphore) creacuteant ainsi une jonction PN avec une barriegravere de potentiel
Lorsque les photons sont absorbeacutes par le semi-conducteur ils transmettent leur eacutenergie aux atomes
de la jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des eacutelectrons
(charges N) et des trous (charges P) Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel entre les deux
couches Cette diffeacuterence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et
neacutegatives de la cellule A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des porteurs La
tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul Cette tension est nommeacutee
tension de circuit ouvert (Voc) Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont
court-circuiteacutees il est appeleacute courant de court circuit (Icc) et deacutepend fortement du niveau
drsquoeacuteclairement [2]
Diffeacuterents types de technologies de fabrication des cellules photovoltaiumlques existent sur le marcheacute
en effet les cellules photovoltaiumlques baseacutes sur le silicium cristallin dominent le marcheacute avec plus de
90 On distingue deux cateacutegories des cellules fabriqueacutees agrave partir du silicium cristalliseacute celles agrave
partir de silicium monocristallin et celles agrave partir de silicium poly-cristallin Le silicium
monocristallin est plus cher que le silicium poly-cristallin mais de rendement plus eacuteleveacute Le silicium
est aussi utiliseacute dans la technologie dite amorphe lors de sa transformation le silicium produit un
gaz qui sera projeteacute sur une feuille de verre Ce type de cellules preacutesente lrsquoavantage drsquoecirctre inteacutegreacute
sur des supports souples ou rigides il est utiliseacute geacuteneacuteralement pour les calculatrices et les montres
Le tableau 11 montre les performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium preacutesentent actuellement sur
le marcheacute [16]
Technologie Rendement typique Influence de la tempeacuterature Taux de deacutegradation
Monocristallin 12 agrave 16 -0442 par degC -038 par an
Poly-cristallin 11 agrave 14 -0416 par degC -035 par an
Amorphe 6 agrave 7 -0175 par degC -115 par an
Tableau 11 Performances des diffeacuterentes filiegraveres silicium
Dans la suite on cite quelques types de cellules photovoltaiumlques qursquoon peut rencontrer telles que
[19 20]
La cellule photovoltaiumlque multi-jonction Ces cellules sont constitueacutees de plusieurs couches
minces associant de mateacuteriaux semi-conducteurs Par exemple Une cellule triple jonction
est constitueacutee des semi-conducteurs GaAs (arseacuteniure de gallium) Ge (germanium) et
GaInP2 (Phosphure dindium gallium) Le rendement des cellules multi-jonction est tregraves
eacuteleveacute il deacutepasse parfois les 40 Ces cellules ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees en prioriteacute pour les
applications spatiales agrave cause de son coucirct de fabrication tregraves eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque CIGS La technique consiste agrave deacuteposer un mateacuteriau semi-
conducteur agrave base de cuivre dindium de gallium et seacuteleacutenium sur un support Ces nouvelles
techniques de haute performance utilisent des meacutetaux rares comme lindium dont la
production mondiale est faible ce qui rend le coucirct de fabrication eacuteleveacute
La cellule photovoltaiumlque organique Les cellules photovoltaiumlques organiques sont des
cellules dont au moins la couche active est constitueacutee de moleacutecules organiques Le
rendement de ces cellules est encore infeacuterieur agrave 3 mais leur coucirct est faible agrave cause du
faible prix de la matiegravere premiegravere
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
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[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 1 Notions sur les systegravemes photovoltaiumlques
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 14
Lorsque les photons sont absorbeacutes par la cellule ils transmettent leur eacutenergie aux atomes de la
jonction PN de telle sorte que les eacutelectrons de ces atomes se libegraverent et creacuteent des paires eacutelectrons-
trous Ceci creacutee alors une diffeacuterence de potentiel (de 06 agrave 08 Volt) entre les deux couches que lrsquoon
peut mesurer entre les bornes positives et neacutegatives de la cellule nommeacutee tension de circuit ouvert
(VOC) fortement deacutependante de la tempeacuterature Le courant maximal se produit lorsque les bornes de
la cellule sont court-circuiteacutees ce courant est nommeacute courant de court-circuit (ICC) deacutependant
fortement du niveau drsquoeacuteclairement (E) A travers une charge continue on peut en plus reacutecolter des
porteurs La tension maximale de la cellule est drsquoenviron 06 V pour un courant nul La figure 17
illustre la caracteacuteristique non lineacuteaire I(V) drsquoune cellule PV agrave base de silicium pour un eacuteclairement
et une tempeacuterature donneacutee avec la preacutesence drsquoun point de puissance maximal (PPM) caracteacuteriseacute par
sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT) [19 20]
Figure 17 Caracteacuteristique I(V) drsquoune cellule photovoltaiumlque
17 Conclusion
Grace agrave leur avantages consideacuterables la production de lrsquoeacutelectriciteacute agrave base des eacutenergies renouvelables
est une des preacuteoccupations majors de part le monde Cependant dans le cadre de la reacutealisation de ce
meacutemoire la suite de notre travail a consisteacute agrave la modeacutelisation la commande et la simulation drsquoune
chaine photovoltaiumlque raccordeacutee agrave un reacuteseau de distribution
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 15
CHAPITRE 2
MODELISATION DE LA CHAINE PHOTOVOLTAIumlQUE
21 Introduction
Dans ce chapitre on traite le module et le deacuteveloppement matheacutematique des cellules
photovoltaiumlques notamment le modegravele agrave une seule diode
Les modegraveles de circuits eacutequivalents aux cellules photovoltaiumlques et leurs modegraveles matheacutematiques
sont deacuteveloppeacutes afin drsquoeacutetudier le comportement non lineacuteaire des jonctions des semi-conducteurs
22 Modeacutelisation de la cellule photovoltaiumlque
Dans la litteacuterature deux (2) modegraveles modegravele agrave deux diodes et modegravele agrave une diode drsquoune cellule
photovoltaiumlque sont traiteacutes [16 19-22] Concernant le circuit eacutequivalent agrave deux (2) diodes drsquoune
cellule solaire est reacutealiseacute par la connexion en parallegravele de deux diodes une source de courant
produisant le courant de court-circuit ( ccI ) de la cellule une reacutesistance seacuterie ( sR ) et une reacutesistance
monteacutee en parallegravele ( pR ) comme le montre la figure 21
Figure 21 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave deux diodes de la cellule photovoltaiumlque
Or la cellule photovoltaiumlque est aussi repreacutesenteacutee par le modegravele laquo standard raquo agrave une diode Ce
modegravele comporte une diode en moins par rapport au modegravele agrave deux diodes comme le montre la
figure 22
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 16
Figure 22 Modegravele eacutelectrique eacutequivalent agrave une diode de la cellule photovoltaiumlque
23 modegravele eacutelectrique eacutequivalent
Pour les modegraveles preacuteceacutedents les expressions du courant I de sortie sont respectivement donneacutees
par lrsquoeacutequation suivante [16 19-22]
p
skTn
RIVq
kTn
RIVq
ccR
RIVeIeIII
ss
]1[]1[
)
(
02
)
(
0121
+minusminusminusminusminus=
++
(21)
Avec
ICC (A) le courant de court-circuit de la cellule deacutependant de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
I01 (A) courant de saturation de la diode1
I02 (A) courant de saturation de la diode2
K ( KJ 103811 23minus) constante de Boltzmann
Tc (K) tempeacuterature effective de la cellule T(K)=273=T (degC)
q (1602times10-19 C) la charge de lrsquoeacutelectron
n1 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode1
n2 le facteur de non ideacutealiteacute de la jonction de la diode2
I (A) courant fourni par la cellule
V (V) tension aux bornes de la cellule
RP (Ω) reacutesistance parallegravele
RS (Ω) reacutesistance seacuterie
Facteur drsquoideacutealiteacute
Le facteur drsquoideacutealiteacute n est compris entre 1 et 2
21 n (22)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 17
Le facteur drsquoideacutealiteacute est eacutegal agrave laquo 1 raquo pour une diode ideacuteale mais peut monter jusqursquoagrave 2 lors de la
prise en compte du courant de geacuteneacuteration ndash recombinaison Lrsquoexpression de n est obtenue en
deacuterivant le logarithme neacutepeacuterien de I par rapport agrave V
)ln(
1
Id
dV
Vn
T
=
(23)
On relegravevera des eacutecarts de tension et de courant dans la partie proche de Vco qui est une droite apregraves
avoir converti lrsquoeacutechelle de courant en logarithme [23]
Dans la suite de ce meacutemoire on va consideacuterer le modegravele agrave une seule diode car crsquoest celui qui est le
plus souvent utiliseacute
On preacutesente ci apregraves plus de deacutetails sur le deacuteveloppement matheacutematique du modegravele du circuit
eacutequivalent agrave une seule diode
Figure 23 Scheacutema du circuit eacutequivalent agrave une diode drsquoune cellule photovoltaiumlque
Ougrave
119877119901 (Ω) Reacutesistance parallegravele qui caracteacuterise les courants de la jonction
119877119904 (Ω) Reacutesistance seacuterie qui caracteacuterise les diverses reacutesistances des contacts et connexion
De la figure 23 on peut deacuteduire
pRdcc IIII minusminus= (24)
119868119888119888 (A) Courant de court-circuit (Photovoltaiumlque) qui deacutepend de lrsquoensoleillement et de la
tempeacuterature
119868119889 (A) Courant agrave travers la diode
119868119877119901 (A) Courant agrave travers la reacutesistance parallegravele
Le courant de court-circuit agrave une tempeacuterature (T) quelconque est exprimeacute par la relation suivante
119868119888119888(119879)= 119868119888119888(119879119903119890119891)
[1 + 119896119894(119879119888 minus 119879119903119890119891)] (25)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 18
119868119888119888(119879119903119890119891) Courant de court circuit pour une tempeacuterature de reacutefeacuterence mesureacutee sous un
ensoleillement de 1000Wm2 et qui est donneacute par la fiche technique du constructeur
119879119903119890119891 Tempeacuterature de reacutefeacuterence de la cellule exprimeacutee en Kelvin (degK) correspondante agrave la
tempeacuterature standard 25 degC soit Tref(degK)=25+27315degK
119896119894 Coefficient de tempeacuterature de 119868119901ℎ exprimeacute en () (selon la fiche du constructeur)
Le courant 119868119888119888 est proportionnel agrave lrsquoensoleillement(119864) On lrsquoexprime par la relation suivante
119868119888119888(119864) = 119868119888119888(1198640) lowast119864
1198640 (26)
Ougrave
1198640 est lrsquoensoleillement nominal standard eacutegal agrave10001198821198982
Lrsquoexpression (24) peut srsquoeacutecrire
p
sdcc
R
RIVIII
+minusminus=
(27)
Avec
)1()(
0 minus=+ s
c
RIVnkT
q
d eII
(28)
En consideacuterant que la cellule photovoltaiumlque est de bonne qualiteacute la pR aura une valeur tregraves eacuteleveacutee
et donc le troisiegraveme terme de la partie droite de lrsquoeacutequation (27) peut ecirctre neacutegligeacute )
(p
s
R
RIV +
Ainsi on retient de (28) que
)( sc
RIVnkT
q
e+
gtgt 1 (29)
Donc lrsquoeacutequation courant-tension de la cellule srsquoeacutecrit
)(
0
sc
RIVnkT
q
cc eIII+
minus=
(2 10)
Par ailleurs des grandeurs caracteacuteristiques en lrsquooccurrence le courant de court circuit )( ccI et la
tension du circuit ouvert )( coV peuvent ecirctre deacutetermineacutes de la caracteacuteristique I=f(V)
La tension Vco (circuit ouvert) est donneacutee par le fabricant ou mesureacutee gracircce agrave des releveacutes sous un
eacuteclairage 1000Wmsup2 La potentielle thermodynamique VT
est calculeacutee agrave 300 K
Cependant lrsquoallure de la caracteacuteristique courant-tension (I=f(V)) drsquoune cellule PV pour une
tempeacuterature et une irradiation fixes est illustreacutee par la figure 24
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 19
Figure 24 Circuit de connexion et caracteacuteristique courant-tension I=f(V)
Pour une reacutesistance de charge )( chR connecteacutee aux bornes de la cellule le point de fonctionnement
est deacutetermineacute par lrsquointersection des caracteacuteristiques de la cellule et de la charge Ougrave si la charge est
purement reacutesistive sa caracteacuteristique est une droite chRV
I 1= (cas de la figure 24b)
Avec
bull Courant de court-circuit (Icc) crsquoest la plus grande valeur de courant geacuteneacutereacutee par la cellule
sous les conditions de court-circuit ougrave V=0 (pratiquement phcc II =
bull Tension de circuit-ouvert (Vco) crsquoest la tension aux bornes de la cellule lorsque le courant
de la cellule PV est nul Elle est donneacutee par lrsquoeacutequation suivante
)ln()ln()(00 I
IV
I
I
q
nkTV
ph
th
phcco ==
(211)
Ougrave
)(q
nkTVth = crsquoest la tension thermique (212)
bull Puissance maximale elle est associeacutee agrave une tension maximale (VMax) agrave une intensiteacute
maximale (IMax) et que sous les conditions normaliseacutees drsquoensoleillement (STC) standard
(Tempeacuterature=25deg et un Eclairement = 1000 wm2) elle est dite puissance crecircte
bull Facteur de forme(FF) crsquoest le rapport de la puissance maximale deacutelivreacutee agrave la charge sur le
produit (Icc Vco)
cocc
mppmpp
cocc
Max
VI
VI
VI
PFF
==
(213)
-a- -b-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 20
Pour les cellules ayant un rendement moyen le FF = 07 agrave 085
bull Rendement de la conversion crsquoest le rapport de la puissance eacutelectrique maximale pouvant ecirctre
extraire agrave la puissance de rayonnement incident (Pinc) sur une surface de la cellule
inc
ccco
a
mppmpp
inc
Max
P
FFIV
GS
VI
P
P
===
(214)
Avec (Pinc) est eacutegale au produit de lrsquoeacuteclairement par la surface totale des photopiles
Ce paramegravetre ( ) reflegravete la qualiteacute de conversion de lrsquoeacutenergie solaire en eacutenergie eacutelectrique
geacuteneacuteralement il est de 14 16 [24]
231 Constitution drsquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (GPV)
La puissance maximale que peut deacutelivrer par exemple une cellule en silicium de 150 cmsup2 sous une
tension de 05V sous des conditions drsquoensoleillement standard (1000Wmsup2 25degC) est de 23W
environ Puisque cette faible puissance est insuffisante pour la plupart des applications en pratique
les cellules sont regroupeacutees entre elles pour former un module et le regroupement de modules
identiques constitue un panneau photovoltaiumlque Enfin le geacuteneacuterateur photovoltaiumlque est constitueacute
drsquoun reacuteseau seacuterieparallegravele de nombreux panneaux photovoltaiumlques Lorsque les cellules (panneaux)
identiques sont assembleacutees en seacuterie les tensions srsquoadditionnent si elles sont monteacutees en parallegravele
crsquoest les courants qui srsquoadditionnent
Dans un groupement de ns cellules en seacuterie la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue
par addition des tensions eacuteleacutementaires de chaque cellule alors que le courant traversant les cellules
reste le mecircme La figure 25 montre la caracteacuteristique reacutesultante (IccnsVcons) avec Iccns=Icc et
Vcons=nsVco
Figure 25 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoune connexion de ns cellules en seacuterie
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 21
Dans le cas drsquoun groupement de np cellules en parallegravele les cellules sont soumises agrave la mecircme
tension et la caracteacuteristique reacutesultante du groupement est obtenue par lrsquoaddition des courants La
Figure 26 illustre la caracteacuteristique reacutesultante avec Iccnp=npIcc et Vconp=Vco [16]
Figure 26 Caracteacuteristique reacutesultante drsquoun groupement de np cellules en parallegravele
232 Simulations et interpreacutetation des caracteacuteristiques
bull 2321 I=f(V) PV sous des diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologique
Les caracteacuteristiques courant et puissance en fonction de tensions obtenues par simulations sous
diffeacuterentes conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation et tempeacuterature) sont preacutesenteacutees par les
figures 27 agrave 212
On remarque que les points caracteacuteristiques (Icc Vco Pmax) de I=f(V) varient en fonction de
lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
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Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 22
Figure 27 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de E
Figure 28 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 23
Figure 29 Zoom de la caracteacuteristiques I=f(v) variation de T
Figure 210 Caracteacuteristiques P=f(v) variation de T
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 24
Figure 211 Zoom de la caracteacuteristique I=f(v) variation de T et E
Figure 212 Caracteacuteristique P=f(v) variation de T et E
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 25
bull 2322 Interpreacutetation des reacutesultats
Concernant les deux premiegraveres notamment les figures 27 et 28 elles montrent respectivement
lrsquoeacutevolution du courant et de la puissance lorsque la tempeacuterature est maintenue constante agrave sa valeur
standard (T=25degC) mais lrsquoirradiation varie de la sa valeur standard (1000wm2) agrave 500wm2 par pas
de 150wm2 On remarque que dans ces conditions que la diminution de lrsquoirradiation diminue les
valeurs des courants de court circuit et des tensions agrave vide ainsi que la valeurs de la puissance
maximale que peut deacutevelopper le panneaux Cependant la puissance de crecircte qui est obtenue sous
les conditions standards elle est drsquoenviron 11KW
Pour les figures 29 et 210 elles repreacutesentent cette fois ci les reacutesultats de simulations obtenus sous
une irradiation standard (1000wm2) et en faisant augmenter la tempeacuterature de 25degC agrave 55degC par pas
de 10degC Dans ce cas on note que lrsquoaugmentation de la tempeacuterature le courant de court circuit
demeure presque constant par contre les tensions agrave vide ainsi que les points de puissances
maximales diminuent en conseacutequence
Finalement les figures 211 et 212 regroupent les cas des variations de lrsquoirradiation et de la
tempeacuterature respectivement pour le courant en fonction de la tension et la puissance en fonction de
la tension
24 Convertisseurs statiques
241 Introduction
Drsquoapregraves le paragraphe preacuteceacutedent on remarque qursquoun geacuteneacuterateur photovoltaiumlque (PV) geacutenegravere une
puissance qui varie fortement en fonction de lrsquoeacuteclairement la tempeacuterature et du vieillissement
global du systegraveme Donc pour adapter son comportement lorsqursquoil est connecteacute agrave une charge
quelque soit sa nature (continue (DC) comme des batteries ou bien alternative (AC) comme le
reacuteseau eacutelectrique) En effet pour que le geacuteneacuterateur fonctionne le plus souvent possible dans son
reacutegime optimal la solution communeacutement adopteacutee est alors drsquointroduire un convertisseur statique
qui joue le rocircle drsquoadaptateur source-charge tout en assurant gracircce agrave une strateacutegie de control le
transfert du maximum de puissance fournie par le geacuteneacuterateur pour qursquoelle soit la plus proche
possible de la puissance maximale disponible [1] La figure 213 montre la structure de connexion
drsquoun tel eacutetage
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 26
Figure 213 Connexion drsquoun GPV agrave une charge agrave travers un eacutetage drsquoadaptation
Le hacheur se compose de condensateurs drsquoinductance et drsquoun semi conducteur de
puissance (interrupteur) Dans le cas ideacuteal tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance
active crsquoest la raison pour laquelle on a de bons rendements dans les hacheurs [25]
242 Types des convertisseurs DC-DC (Hacheur)
Il y a un plusieurs topologies des convertisseurs DC-DC Ils sont classeacutes par cateacutegorie selon
que la topologie isoleacutee ou non isoleacutee Les topologies isoleacutees emploient un transformateur
drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence elles sont souvent employeacutees dans les alimentations agrave
deacutecoupage Les topologies les plus connues dans la majoriteacute des applications sont le Fly back en
demi-point et en pont complet Dans les applications photovoltaiumlques (PV) les systegravemes de
couplage avec le reacuteseau eacutelectrique emploient souvent ces types de topologies quand lisolement
eacutelectrique est preacutefeacutereacute pour des raisons de sucircreteacute Les topologies non isoleacutees ne comportent pas de
transformateurs drsquoisolement Elles sont geacuteneacuteralement utiliseacutees pour les entrainements des moteurs agrave
courant continu Ces topologies sont classeacutees en trois cateacutegories Abaisseurs (Buck) Eacuteleacutevateurs
(Boost) et Eacuteleacutevateurs - Abaisseurs (Buck-Boost)
2421 Hacheur
Un hacheur est un convertisseur statique qui convertie une source continue agrave son enteacutee agrave une source
continue agrave sa sortie Il est appeleacute convertisseur DCDC et caracteacuteriseacute en pratique par deux (2)
topologies principales notamment la topologie dite isoleacutee et le Fly Back Concernant la topologie
isoleacutee elle neacutecessite un transformateur drsquoisolement fonctionnant agrave haute freacutequence et elle est
principalement utiliseacutee pour les alimentations agrave deacutecoupage [26]
Par contre la topologie Fly Back qui est non isoleacutee et nrsquoutilise pas de transformateur drsquoisolement
est principalement utiliseacutee dans les entrainements des machines agrave courant continu et les chaines des
systegravemes drsquoalimentation photovoltaiumlque [26] Les convertisseurs de topologie non isoleacutee sont
classeacutes en trois (3) cateacutegories abaisseur eacuteleacutevateur et mixte (eacuteleacutevateur-abaisseur) et sont
respectivement appeleacutes en anglais Buck Boost
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 27
Le tableau 21 preacutesente les circuits et deacutefinit ces trois types de convertisseurs
Type
drsquohacheur
Scheacutema eacutequivalent
Rapport
de
transform
ation
Application
Hacheur
seacuterie
D
Convertie sa tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension de sortie
(V0) inferieure agrave (Vi)
Hacheur
parallegravele
Dminus1
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi)
en une autre tension
continue de sortie (V0)
de valeur supeacuterieure agrave
(Vi)
Hacheur
seacuterie-
parallegravele
D
D
minus
minus
1
Convertie une tension
continue drsquoentreacutee (Vi) en
une tension continue de
sortie (V0) qui peut ecirctre
supeacuterieure ou inferieure
agrave celle de lrsquoentreacutee en
fonction de D
Tableau 21 Comparaison des principaux convertisseurs DCDC
La topologie Buck est utiliseacutee pour avoir une tension de sortie faible par rapport agrave celle de
lrsquoentreacutee Dans les applications PV elle est habituellement utiliseacutee pour les chargeurs des batteries et
les systegravemes de pompage de lrsquoeau La topologie Boost est utiliseacutee pour augmenter la tension
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 28
drsquoentreacutee Les systegravemes de production de lrsquoeacutenergie lrsquoutilisent pour augmenter la tension de sortie au
niveau de lrsquoentreacutee de lrsquoonduleur Aussi il y a des topologies qui sont capables drsquoaugmenter et de
diminuer la tension telles que le Buck-Boost [27]
Selon les circuits corresponds aux topologies des types de convertisseurs consideacutereacutees dans le
tableau 21 on remarque que les semi conducteurs (deacutesigneacutes par K) neacutecessitent une commande de
la base Cependant les peacuteriodes de fermeture (Tf) (bloqueacute non passant) et drsquoouverture (To)
(passant) pour une peacuteriode du cycle de commande (Tc) deacutefinit le rapport cyclique (D)
Figure 214 Peacuteriodes de fermeture et ouverture drsquoun interrupteur
Le rapport cyclique est alors exprimeacute par la relation suivante
c
o
T
TD = [0 1] (215)
25 Fonctionnement drsquoun geacuteneacuterateur PV agrave sa puissance maximale
Les caracteacuteristiques drsquoun module solaire montrent que la puissance maximale geacuteneacutereacutee deacutepend
fortement de lrsquointensiteacute des irradiations solaires (E) et de la tempeacuterature (T) Cependant des
meacutethodes classiques et intelligentes permettent le suivi du point de puissance maximale (MPPT
Maximum Power Point Tracking) ont eacuteteacute deacuteveloppeacutees
Par deacutefinition une commande MPPT (Maximum Power point Tracking) associeacutee agrave un eacutetage
intermeacutediaire drsquoadaptation permet de faire fonctionner un geacuteneacuterateur PV de faccedilon agrave produire en
permanence le maximum de sa puissance [2829] Ainsi quelque soient les conditions
meacuteteacuteorologiques la commande du convertisseur place le systegraveme au point de fonctionnement
maximum (VMPP IMPP) Par la suite on va preacutesenter dans le chapitre suivant quelques meacutethodes
26 Onduleur pour PV
Les onduleurs sont des convertisseurs statiques puissance qui transforment lrsquoeacutenergie continue en
eacutenergie alternative ayant une forme plus proche drsquoune sinusoiumlde pour que le taux drsquoharmonique soit
tregraves faible [2] La figure 215 preacutesente le symbole drsquoun tel convertisseur
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
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[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 29
Figure 215 Symbole de convertisseur DCAC (onduleur) triphaseacute
Pour les installations photovoltaiumlques coupleacutees aux reacuteseaux de distribution lrsquoonduleur permet de
transformer le courant continu produit par les panneaux solaires en courant alternatif Ce courant
sera adapteacute gracircce agrave un circuit agrave verrouillage de phase (PLL Phase Locked Loop) agrave la freacutequence de
la tension du reacuteseau [2 28] Par ailleurs pour raccorder un systegraveme photovoltaiumlque au reacuteseau de
distribution on distingue trois (3) classifications de couplage des onduleurs avec le reacuteseau de
distribution [28 29 32 2] comme le montre la figure 216
Figure 216 Classification des onduleurs PV connecteacutes au reacuteseau
-
+
ONDULEUR
DC Continu
AC Alternatif
a
b
c
Vdc
c
b
a
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
DC AC
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 30
Onduleurs modulaires chaque panneau solaire dispose drsquoun onduleur individuel qui lui est
monteacute agrave proximiteacute immeacutediate
Onduleurs centraliseacutes Ils sont destineacutes agrave transformer le courant continu produit par un
champ photovoltaiumlque en courant alternatif Le champ de cellules solaires est en regravegle
geacuteneacuterale constitue de plusieurs rangeacutees en parallegravele ougrave chacune drsquoelle est constitueacutee de
plusieurs panneaux connectes en seacuterie
Onduleurs en rangeacutee
Les onduleurs en rangeacutee sont les plus recommandeacutes pour les installations photovoltaiumlques de trois
(3) KW de puissance Toutefois pour les fortes puissances il est possible de connecter plusieurs
onduleurs en rangeacutees parallegraveles du coteacute du courant alternatif Lrsquointeacuterecirct dans cette conception est
que si un onduleur est en panne seule la perturbation de la rangeacutee concerneacutee est deacutefaillante
261 Modeacutelisation et structure drsquoun onduleur
Le scheacutema de la figure212 preacutesente un onduleur triphaseacute agrave structure de tension [33] Il est composeacute
de trois bras dont chacun est constitueacute de deux (2) semi conducteurs (interrupteurs) reacuteversibles en
courant (onduleur agrave 2 niveaux) [33] commandable agrave la fermeture et agrave lrsquoouverture reacutealiseacutes agrave partir
drsquoun transistor (GTO ou IGBT) et drsquoune diode monteacutee en antiparallegravele commandeacute de faccedilon
compleacutementaire la conduction de lrsquoun entraine le blocage de lrsquoautre En reacutealiteacute le mode ougrave les
semi conducteurs drsquoun mecircme bras sont tous les deux fermes nrsquoexiste que durant les commutations
Le stockage de lrsquoeacutenergie du coteacute continu se fait par lrsquointermeacutediaire drsquoun condensateur Cdc de tension
Udc ou agrave deux condensateurs avec un point milieu Cdc1 Cdc2 [34 2 233] Le filtre passif
habituellement du premier ordre (Lf Rf) est inseacutereacute pour raccorder lrsquoonduleur de tension au reacuteseau
de distribution
Figure 217 Structure drsquoun onduleur triphaseacute agrave deux niveaux
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 31
On aura alors
TVV dcabc = (216)
Avec
[Vabc] est le systegraveme de tensions alternatives eacutequilibreacute
tcbaabc
VVVV = (217)
[T] est la matrice de transfert de lrsquoonduleur
minusminus
minusminus
minusminus
=
211
121
112
3
1T (218)
Lrsquoonduleur a pour objectif de geacuteneacuterer agrave sa sortie des tensions de formes les plus sinusoiumldales
possibles A cet effet diffeacuterentes strateacutegies de modulation ont eacuteteacute proposeacutees [35 36] Il srsquoagit de
geacuteneacuterer les ordres drsquoouvertures et de fermetures des semi conducteur de maniegravere que la tension agrave la
sortie de lrsquoonduleur soit la plus proche de la tension de reacutefeacuterence Deux principales strateacutegies de
commandes sont tregraves utiliseacutees [35]
bull Commande par hysteacutereacutesis
Le principe de controcircle des courant par hysteacutereacutesis consiste agrave maintenir chacun des courants geacutenegraveres
dans une bande enveloppant les courants de reacutefeacuterences Chaque violation de cette bande donne un
ordre de commutation [2 35 36] Le seul paramegravetre de reacutegulation dans cette commande est la
largeur de la bande drsquohysteacutereacutesis qui deacutetermine lrsquoerreur sur les courants et la freacutequence de
commutations bien que cette derniegravere soit inconnue Le principe de la commande des semi
conducteurs est illustreacute par la figure suivante
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 32
Figure 218 Commande des semi conducteurs par hysteacuterisis
bull Commande par modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI)
Lrsquoutilisation de la modulation de largeur drsquoimpulsions (MLI) en anglais Pulse With Modulation
(PWM) permet drsquoeacuteliminer les premiers rangs drsquoharmoniques de courant afin drsquoameacuteliorer le facteur
de puissance [2 35 36]Elle consiste agrave moduler une onde porteuse triangulaire par une onde
modulante sinusoiumldale ayant une freacutequence tregraves basse
Figure 219 Strateacutegie de commande des semi conducteurs par MLI
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 33
Cette strateacutegie est caracteacuteriseacutee par deux(2) indices fondamentaux lrsquoindice de reacuteglage (r) et celui de
modulation (m) deacutefinis par (219) et (220) respectivement
max_
max_
por
ref
A
Ar = (219)
Aref_max amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Apor_max amplitude maximale du signal porteuse
Avec lrsquoindice de reacuteglage doit ecirctre 180 r
ref
por
f
fm = (220)
fpor freacutequence du signal porteuse
fref amplitude maximale du signal de reacutefeacuterence
Avec un m multiple de trois(3)
Lrsquoalgorithme de commande en MLI pour un onduleur agrave deux niveaux est donneacute par (221)
minus=
+=
dcaoporref
dcaoporref
VVVV
VVVV (221)
27 Reacuteseau filtre et PLL
271 Modeacutelisation du reacuteseau eacutelectrique
Les charges sont consommateurs drsquoeacutenergie eacutelectrique en fonction de leurs caracteacuteristiques
minus=
minus=
=
)3
4sin(2)(
)3
2sin(2)(
)sin(2)(
wtEtE
wtEtE
wtEtE
c
b
a
(222)
272 Modeacutelisation du filtre
Dans les systegravemes photovoltaiumlques connecteacutes au reacuteseau de distribution un onduleur est
neacutecessairement utiliseacute Ougrave la connexion de cet onduleur au reacuteseau srsquoeffectue agrave travers un filtre RL
dont le scheacutema de principe est montreacute par la figure220
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 34
Figure 220 Scheacutema de principe du filtre RL
Lrsquoapplication de la loi des mailles pour chaque phase au point de raccordement du filtre donne les
eacutequations qui lient les tensions moduleacutees par le convertisseur et les courants transitant agrave travers le
filtre
++=
++=
++=
ccr
fcrfcr
bbr
fbrfbr
aar
farfar
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
Edt
diLiRV
(223)
Drsquoougrave sous forme de LAPLACE
minus+
=
minus+
=
minus+
=
)(
1
)(
1
)(
1
ccr
ff
cr
bbr
ff
br
aar
ff
ar
EVSLR
I
EVSLR
I
EVSLR
I
(224)
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 2 Modeacutelisation de la chaine photovoltaiumlque
ALAKHDARA_Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 35
273 Circuit de synchronisation
Dans le but de reacutealiser la synchronisation du convertisseur (onduleur) avec le reacuteseau eacutelectrique une
structure PLL a eacuteteacute utiliseacutee Son principe de calcul est montreacute par la figure 221
Figure 221 Scheacutema de principe drsquoune PLL
28 Conclusion
Ce chapitre a eacuteteacute consacreacute principalement agrave la deacutefinition rocircle et modeacutelisation des diffeacuterents
constituants drsquoune chaine de conversion photovoltaiumlque
Toutefois les principes de fonctionnement du systegraveme solaire de production drsquoeacutenergie est
amplement deacuteveloppeacute notamment en termes de lrsquoinfluence des conditions meacuteteacuteorologique
(irradiation et tempeacuterature) ainsi qursquoagrave la maniegravere des connexions des panneaux solaires (seacuterie
parallegravele)
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
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bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 36
CHAPITRE 3
CONTROLE DE LA PUISSANCE MAXIMALE
31 Introduction
La puissance maximale que peut deacutelivrer un panneau photovoltaiumlque deacutepend fortement des
conditions meacuteteacuteorologiques notamment lrsquoirradiation (ensoleillement) et la tempeacuterature Dans
ce chapitre une strateacutegie de controcircle appliqueacutee pour le suivi du point maximum de puissance
en anglais maximum power point traking (MPPT) deacutelivreacutee par le panneau photovoltaiumlque est
preacutesenteacutee
Apregraves un bref rappel sur le control MPPT on preacutesente la meacutethode de suivant du point de
puissance maximale ainsi que son algorithme de calcul ainsi que les simulations reacutealiseacutees agrave
base du logiel MatLab ainsi que les discussions des reacutesultats
32 Hacheur survolteur (Boost-converter)
Connu aussi sous le nom de laquo Boost raquo ou hacheur parallegravele son scheacutema de principe de base
est celui de la figure 31 Son application typique est de convertir sa tension drsquoentreacutee en une
tension de sortie supeacuterieure [1]
Figure 31 Scheacutema de principe drsquoun convertisseur Boost
Lrsquoapplication des lois de Kirchhoff sur les circuits eacutequivalents du convertisseur survolteur
(Boost) La figure 32 montre les configurations relatives aux deux phases de
fonctionnement
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 37
Figure 32 Scheacutemas eacutequivalents du hacheur survolteur K (a) fermeacute (b) ouvert
1egravere phase
Elle correspond agrave la seacutequence de fonctionnement )0( sDTt
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905=119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=-1198940(t) (31)
119907119897(119905)=119897119889119894119897
119889119905=-119907119894(t)
2egraveme phase
Elle correspond agrave la seconde seacutequence de fonctionnement )1( sDT soit )( TtDT
1198941198881(t)=1198881119889119907119894(119905)
119889119905= 119894119894(t)-119894119897(t)
1198941198882(t)=c21198891199070(119905)
119889119905=119894119897(t)-1198940(t) (32)
119907119897(t)= 119897119889119894119897
119889119905=119907119894(t)-1199070(t)
Pour trouver une repreacutesentation dynamique valable pour tout la peacuteriode 119879s on utilise
geacuteneacuteralement lrsquoexpression suivante
˂119889119909
119889119905˃119879119904=
119889119909
119889119905119863119879119904+
119889119909
119889119905(1minus119863)119879119904(1-d)119879119904 (33)
En appliquant la relation (33) sur les systegravemes drsquoeacutequations (31) et (32) on obtient les
eacutequations qui reacutegissent le systegraveme sur une peacuteriode entiegravere Ainsi on trouve le modegravele
approximeacute du convertisseur survolteur [2]
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 38
119894119897=119894119894-1198881119889119907119894(119905)
119889119905
1198940=(1-d)119894119897-C2119889119907119894(119905)
119889119905 (34)
119907119894(119905)=119897119889119894119897
119889119905+ (1-d)1199070
Le convertisseur DC-DC joue le rocircle drsquoadaptateur entre le GPV et la charge continue DC pour
avoir un transfert maximal de puissance Le point de fonctionnement est donc maintenu au
voisinage du point de puissance maximale (PPM) quelque soient les conditions de
fonctionnement (ensoleillement tempeacuterature variation de charge etc)
Figure 33 Tension drsquoentreacutee (Vi) et tension de sortie (V0) drsquoun hacheur Boost
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 39
Figure 34 Commande PWM avec D=025
Figure 35 Commande PWM avec D=05
Figure 36 Commande PWM avec D=075
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 40
33 Principe de la meacutethode
La strateacutegie de controcircle de la puissance de sortie maximale du panneau ougrave autrement la
puissance maximale que peut deacutelivreacutee un panneau photovoltaiumlque sous une irradiation et une
tempeacuterature donneacutees exige geacuteneacuteralement les mesures des tensions (Vpv) et courant (Ipv) du
panneau afin de deacuteduire la valeur du rapport correspondant pour la commande du semi
conducteur du hacheur La configuration du systegraveme eacutetudieacute est preacutesenteacutee par la figure 37
Elle comprend principalement un panneau solaire une capaciteacute de filtrage (C) lrsquohacheur
(H) la charge et le bloc MPPT
Figure 37 Structure de commande du MPPT
34 Techniques du suivi du point maximum de puissance
Il existe plusieurs meacutethodes pour obtenir le point de puissance maximale (MPPT) drsquoun
geacuteneacuterateur photovoltaiumlque Les premiegraveres utilisations du MPPT datent 1968 Il srsquoagit drsquoun
genre de controcircleur qui va forcer le geacuteneacuterateur agrave travailler agrave sa puissance maximale Ces
meacutethodes diffeacuterentes par leur principe de fonctionnement leur preacutecision et leur robustesse
Parmi les meacutethodes on considegravere celle dite perturbation et observation (PampO)
La meacutethode PampO est tregraves souvent exploiteacutee et citeacutee due agrave sa simpliciteacute Elle repose sur un
procegravede algorithmique dans le but de la recherche du point de puissance maximale (MPPT)
Ce proceacutedeacute se base sur la perturbation du systegraveme par lrsquoaugmentation ou la diminution de la
tension du geacuteneacuterateur ou on agisse directement sur le rapport cyclique du convertisseur
DCDC puis lrsquoobservation de lrsquoeffet sur la puissance de sortie Donc suite agrave une perturbation
de tension la puissance augmente la direction de perturbation est maintenue Dans le cas
contraire elle est inverseacutee pour reprendre la convergence vers le nouveau MPPT
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 41
Figure 38 Caracteacuteristique puissancendashtension P=f(V) drsquoun panneau photovoltaiumlque
La figure 39 illustre lrsquoorganigramme de la commande MPPT de type PampO Pour deacuteterminer
la puissance agrave chaque instant deux capteurs sont neacutecessaires pour mesurer les valeurs de la
tension et du courant
Figure 39 Algorithme de la meacutethode PampO
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
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[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 42
Afin de valider lrsquoorganigramme que nous avons programmeacute et simuleacute sous lrsquoenvironnement
MATLAB Simulink Les tests de simulations suivants ont eacuteteacute consideacutereacutes
bull Irradiation E variable et tempeacuterature constante T=25degC
Pour des valeurs de E= 1000Wm2 850Wm2 700Wm2 650Wm2 500Wm2 on a preacutesenteacute
les reacutesultats de simulations (voir les figures 310 et 311) qui montrent que notre panneau
deacutelivre le maximum de puissance comme lrsquoindiquent les figures des caracteacuteristiques du
panneau
Figure 310 Variation de lrsquoirradiation E et la tempeacuterature constante T=25degC
Figure 311 MPP avec variation de E et T=25degC
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 3 Controcircle de la puissance maximale
ALAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 43
bull Tempeacuterature variable et irradiation constante E=1000Wm2
Dans ce cas on garde E constant mais on varie les valeurs de la tempeacuterature T= 25degC
35degC 45degC 55degC Les figures 312 et 313 preacutesentent lrsquoeacutevolution de la tempeacuterature et
de la puissance fournie par le panneau
Figure 312 Variation de la tempeacuterature et lrsquoirradiation constante E =1000Wm2
Figure 313 MPP avec variation de T et E =1000Wm2
35 Conclusion
En vu drsquoappliquer cette technique drsquooptimisation pour le suivi de la puissance maximale
deacutelivreacutee par le panneau quelques soient les variations de lrsquoirradiation et de la tempeacuterature
nous allons dans la suite de ce travail lrsquoinseacuterer pour la commande du hacheur eacuteleacutevateur de la
chaine eacutetudieacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 44
CHAPITRE 4
GESTION DE PUISSANCES ET STOCKAGE DrsquoENERGIE
41 Introduction
Ce chapitre est consacreacute agrave la gestion de la puissance deacutelivreacutee par le panneau solaire celle du
reacuteseau de distribution et de la puissance absorbeacutee par la charge Le contenu du chapitre
comprend principalement deux (2) parties ougrave dans la premiegravere on ne considegravere pas le
dispositif du stockage et la seconde partie fera lrsquoobjet de lrsquoeacutetude des speacutecificiteacutes du
fonctionnement drsquoune batterie puis son insertion en tant qursquoeacuteleacutement de stockage senseacute agrave ecirctre
chargeacutee et deacutechargeacutee selon les conditions de fonctionnement
42 Connexion chaine photovoltaiumlque reacuteseau de distribution
On rappelle que dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire la chaine eacutetudieacutee comprend
principalement un panneau photovoltaiumlque un hacheur une commande MPPT un onduleur
triphaseacute avec un raccordement au un reacuteseau de distribution Lrsquoonduleur et le reacuteseau sont
relieacutes simultaneacutement agrave une charge triphaseacutee de puissance active 10KW La figure 41 preacutesente
la structure de la chaine de conversion globale
Figure 41 Structure de la chaine de conversion
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 45
Ceci eacutetant on eacutetudiera dans la section suivante le comportement de lrsquoensemble sous des
conditions meacutetrologiques choisies de maniegravere agrave montrer lrsquoeacutechange de puissance entre les
diffeacuterents eacuteleacutements de chaine
421 Simulation de la chaine
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Cependant afin de valider le fonctionnement deacutesireacute on a consideacutereacute que la tempeacuterature reste
constante mais que lrsquoirradiation varie En effet durant lrsquointervalle du temps de 0 agrave 01
seconde on a supposeacute que lrsquoirradiation (E) et la tempeacuterature (T) sont dans les conditions
standards soit respectivement E=1000m2 et T =25degC Puis de 01s agrave 02s lrsquoirradiation diminue
jusqursquoagrave 650wm2 et finalement srsquoannuler durant le laps de temps 02s agrave 03s comme le
montre la figure 42 Cependant sous ces conditions les allures des puissances actives et
reacuteactives de la charge sont illustreacutees par la figure 43
Figure 42 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Figure 43 Puissance active P et reacuteactive Q de la charge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 46
Alors on tenant compte des caracteacuteristiques P=f(V) preacutesenteacutees preacuteceacutedemment par la figure
28 du deuxiegraveme chapitre et celle des puissances repreacutesenteacutees par la figure 44 la puissance
active de la charge (Pch) la puissance deacutelivreacutee par le panneau (Ppv) la puissance du reacuteseau
de distribution (Pr) et enfin lrsquoallure de la somme du (Ppv+Pr) on remarque que durant le
premier intervalle (0s-01s) et qursquoapregraves un reacutegime transitoire le panneau solaire deacuteveloppe
une puissance supeacuterieure agrave celle demandeacutee par la charge donc toute la puissance consommeacutee
par la charge est assureacutee exclusivement par le panneau ( courant du reacuteseau nul) Entre 01s et
02 puisque lrsquoirradiation a chuteacute jusqursquoagrave 650Wm2 le panneau ne pourra deacutelivreacutee qursquoune
puissance maximale de 7KW donc inferieure agrave celle demandeacutee par la charge Ainsi le reacuteseau
entre en action pour deacutelivrer agrave la charge la quantiteacute de puissance manquante (3KW) ce qui est
constateacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau Pour le
deuxiegraveme intervalle 01s-02s on a une diminution remarquable drsquoirradiation jusqursquoagrave
650Wm2 ce qui fournie une puissance de 7KW Dans ce cas la charge prend le compleacutement
de ses besoins agrave partir du reacuteseau nous remarquons une addition des puissances du
panneau=7KW et 3KW deacutelivreacutee par le reacuteseau pour satisfaire les besoins de notre charge ce
qui est montreacute par lrsquoaugmentation de lrsquoamplitude des courants de phases du reacuteseau
Finalement pour le dernier intervalle 02s-03s le niveau drsquoirradiation est agrave 0Wm2 donc le
panneau ne deacutelivre pas de puissance et donc la puissance exigeacutee par la charge et totalement
assureacutee par le reacuteseau
Figure 44 Echange de puissance entre le panneau et le reacuteseau
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
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AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
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d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
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- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 47
43 Stockage
Les panneaux solaires geacutenegraverent de la puissance le jour en fonction principalement des
conditions meacuteteacuteorologiques (irradiation tempeacuterature) mais pas la nuit Comme il y a des
peacuteriodes ougrave la charge demande moins drsquoeacutenergie que les panneaux solaires fournissent il est
alors neacutecessaire et avantageux de preacutevoir un systegraveme de stockage drsquoeacutenergie Ainsi lrsquoexcegraves
drsquoeacutenergie produise par rapport agrave celle dont agrave besoin la charge serait stockeacutee (chargement des
batteries) et quand lrsquoeacutenergie demandeacutee par la charge et supeacuterieure que celle que peut fournir
les panneaux lrsquoeacutenergie stockeacutee serait utiliseacutee comme compleacutement (deacutechargement des
batteries) afin que la charge reccediloive de lrsquoeacutenergie demandeacutee quelque soient les conditions Au
final lrsquoeacutenergie stockeacutee pourra ecirctre consommeacutee par la charge aux moments adeacutequats
Les batteries sont des peacuteripheacuteriques de stockage qui exige continuellement de nombreux
efforts pour ameacuteliorer leur fonctionnement Parmi les caracteacuteristiques importantes des
batteries on distingue [37] la reacutesistance interne (Ri) la tension agrave vide (E0) la tension
nominale la tension de fin deacutecharge la capaciteacute le taux de deacutecharge et recharge la
profondeur de deacutecharge lrsquoinfluence des paramegravetres exteacuterieurs la dureacutee de vie et nombre de
jour drsquoautonomie
Par ailleurs exprimeacutee en pourcentage lrsquoeacutetat de charge (acronyme est SOC de lrsquoanglais state-
of-charge) renseigne sur le niveau de charge de la batterie afin drsquoeacuteviter les deacutecharges profonde
ou les charges excessives qui abicircmeront les batteries Cette observation a pour objectif de
ralantir la deacutegradation de la batterie afin drsquoallonger au maximum sa dureacutee de vie Le SOC
peut ecirctre deacutefini par la capaciteacute disponible exprimeacutee en fonction de la capaciteacute nominale [37]
comme lrsquoexprime lrsquoeacutequation suivante
119878119874119862 =119862119886119901119886119888119894119905eacute 119889119894119904119901119900119899119894119887119897119890 [119860119867]
119862119886119901119886119888119894119905eacute 119899119900119898119894119899119886119897119890 [119860119867]lowast 100 (41)
431 Modeacutelisation de la batterie
La batterie peut ecirctre repreacutesenteacutee par son circuit eacutequivalent [1] montreacute par la figure 45
Figure 45 Modegravele R-C de la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
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[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
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[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
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[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
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[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
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[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
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[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
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of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
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15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
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de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 48
Ougrave
Vc source de tension ideacuteale drsquoentreacutee
Vbat tension aux bornes de la batterie
Ibat courant deacuteveloppeacute par la batterie
Rv reacutesistance interne variable de la batterie
Avec
minus
+=t
bat
iv
dtIC
CkRR
0 (42)
Ri reacutesistance interne
k tension de polarisation
C capaciteacute de la batterie
De la figure 45 on deacuteduit lrsquoeacutequation de la tension aux bornes de la batterie suivante
)()( tIRVtV batvcbat minus= (43)
Et lrsquoeacutetat de charge (EDC) de la batterie est
bat
d
C
QEDC minus= 1 (44)
Avec
Cbat capaciteacute nominale de la batterie
Qd quantiteacute de charge manquante par rapport agrave Cbat
En litteacuterature deux (2) types drsquoaccumulateurs sont distingueacutes [37] notamment ceux
contenant une reacuteaction chimique irreacuteversible donc non rechargeables et ceux dont la reacuteaction
est reacuteversible sont rechargeables On y trouve le modegravele le plus populaire les piles
rechargeables
Dans le cadre de la reacutealisation de ce meacutemoire nous nous sommes inteacuteresseacutes au stockage
reacuteversible (chargement deacutechargement) en vue de le consideacuterer dans la configuration du
systegraveme eacutetudieacute (systegraveme photovoltaiumlque hacheur bus continu batterie onduleur reacuteseau
charge) A cet effet le systegraveme de stockage doit se charger et se deacutecharger adeacutequatement donc
neacutecessite un systegraveme de charge et deacutecharge
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
des batteries agrave faible autodeacutecharge (lt 5) faible maintenance et une dureacutee de vie supeacuterieure
agrave 5 ans [1] Puisque elles sont brancheacutees en permanence sur le systegraveme photovoltaiumlque il est
neacutecessaire de preacutevoir un reacutegulateur de chargedeacutecharge afin drsquoeacuteviter le problegraveme de
surcharge limiter la profondeur de deacutecharge et par conseacutequent prolonger la dureacutee de vie de la
batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
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[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
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Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
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tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
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[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
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Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
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- 1Cover page
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- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
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Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 49
432 Reacutegulation de la chargedeacutecharge
Lrsquoutilisation drsquoun systegraveme de stockage (batterie) dans les systegravemes solaires amegravene agrave choisir
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batterie A cette fin un reacutegulateur de charge doit ecirctre monteacute dans le systegraveme photovoltaiumlque
pour maintenir la batterie dans un eacutetat voisin de la pleine charge 80 de la capaciteacute de la
charge [1] Drsquoautre part la profondeur de deacutecharge doit ecirctre limiteacutee pour augmenter la dureacutee
de vie il ne faut pas descendre au-dessous de la capaciteacute de la batterie [1] Cependant dans
notre cas un convertisseur bidirectionnel Buck- Boost est preacutevu Ce dernier fonctionne en
mode Boost (eacuteleacutevateur) lorsque la batterie se deacutecharge et il fonctionne en mode Buck
(abaisseur) pour se charger
Figure 46 Organigramme du fonctionnement de la batterie (chargedeacutecharge)
433 Convertisseur Bidirectionnel Buck-Boost
Les hacheurs reacuteversibles permettent lrsquoinversion du courant ou de la tension Dans cette
cateacutegorie on distingue
Hacheur reacuteversible en tension (deux quadrants) Crsquoest uniquement la tension appliqueacutee agrave la
charge qui peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Hacheur reacuteversible en courant (deux quadrants) Crsquoest uniquement le courant de charge qui
peut prendre des valeurs positives ou neacutegatives
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 50
Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
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Reacutefeacuterences
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rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
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d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
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Reacutefeacuterences
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Le circuit de montage du convertisseur Buck- Boost pour la charge et deacutecharge de la batterie
est repreacutesenteacute par la figure 46
Figure 47 Scheacutema du montage du convertisseur Buck ndashBoost
434 Dimensionnement du reacutegulateur
On utilise un reacutegulateur proportionnel inteacutegral (PI) pour reacuteguler le courant La nouvelle entreacutee
U qui repreacutesente la sortie du reacutegulateur est deacutefinie comme
dt
diLu L= (45)
En utilisant la transformeacute de Laplace on obtient
LSiLu = (46)
Soit G la fonction de transfert du courant en boucle ouverte
LSu
iG L
1== (47)
Le reacutegulateur va eacutelaborer la commande du convertisseur agrave partir du signal de lrsquoeacutecart entre la
reacutefeacuterence ILref et le courant dans lrsquoinductance IL
Figure 48 Scheacutema du reacutegulateur PI
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 51
La fonction de transfert du reacutegulateur
S
KKSC i+=)( (48)
La loi de commande est donneacutee par
dt
diLVV L
cin += (49)
Drsquoapregraves le modegravele drsquoeacutetat on obtient
cin
L VDVdt
diLu )1( minusminus== (410)
c
in
V
VuD
minus+=1 (411)
On utilise la technique MLI pour geacuteneacuterer les impulsions de commande correspondante agrave D
deacutetermineacute
Le circuit fonctionne en mode Boost quand la batterie se deacutecharge et en mode Buck quand
elle se charge
Figure 49 Scheacutema de la commande du convertisseur Buck-Boost
A partir drsquoune source de tension controcircleacutee Vin on commande le convertisseur Buck-Boost en
comparant le courant mesureacute avec le courant de reacutefeacuterence Cependant lorsque le courant de
reacutefeacuterence est neacutegatif on deacutecharge la batterie et lorsqursquoil est positif on la recharge
44 Choix de la batterie
On considegravere une tension drsquoentreacutee controcircleacutee Vin=800V et on impose des courants de
reacutefeacuterences de -15A +25A +10A et -30A respectivement (si iref lt 0 on deacutecharge la batterie et
si irefgt0 on la recharge) afin drsquoeacutetudier la capaciteacute de controcircler la charge et de deacutecharge de la
batterie En modifiant pour chaque simulation la tension nominale de la batterie (Lithium
Ion) de la bibliothegraveque logiciel MATLAB avec comme valeur Vbat=300 V Vbat=600 V
Vbat=1000V Vbat=1200V et un eacutetat initiale de charge SOC=70
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
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[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
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[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
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Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
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[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
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nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
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[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
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[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
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[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
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[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
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A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 52
441 Reacutesultat de simulation
Les reacutesultats de simulations obtenus sont repreacutesenteacutes par les figures (44 45 46 et 47) Elles
preacutesentent le SOC les courants et les tensions de la batterie sous lrsquoeffet de la variation de la
tension nominale de la batterie par rapport agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur
Figure 410 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=300V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 53
Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 411 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=600V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
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REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
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[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
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[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
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2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
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Reacutefeacuterences
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[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
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[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 54
Figure 412 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1000V
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 55
Figure413 Etat de charge et deacutecharge de la batterie Vbat=1200V
Lrsquoanalyse de ces figures permettent de conclure que si la tension nominale de la batterie est
inferieure agrave celle de lrsquoentreacutee du convertisseur le systegraveme est capable tant que pour charger ougrave
deacutecharger la batterie et contrairement le systegraveme est incapable de charger ougrave deacutecharger la
batterie si sa tension nominale est supeacuterieure ougrave eacutegale agrave celle de lrsquoentreacutee
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
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Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
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REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
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[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 56
45 Chaine de conversion avec batterie de stockage
La figure 413 montre lrsquoinsertion de lrsquoeacuteleacutement de stockage (Batterie) dans la chaine de
conversion
Figure 414 Scheacutema de la chaine de conversion avec batterie de stockage
451 Simulation du fonctionnement
La chaine dans son ensemble a eacuteteacute programmeacutee dans lrsquoenvironnement MATLAB Simulink
Figure 415 Conditions meacuteteacuteorologiques (E variable et T constante)
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 57
Figure416 Echange de puissance entre le panneau et la batterie
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
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CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Chapitre 4 Controcircle de puissances et stockage
A LAKHDARA __ Meacutemoire de fin drsquoeacutetudes Master_2019 Page 58
Figure 417 SOC et le courant de la batterie pendant la charge et deacutecharge
Ce test de simulation est reacutealiseacute pour analyser par simulation numeacuterique le fonctionnement de
la chaine de conversion lorsqursquoon insert une batterie comme eacuteleacutement de stockage Par
conseacutequent on a reconsideacutereacute les mecircmes profiles des conditions meacuteteacuteorologiques (voir la
figure 414) Il est alors de noter par lrsquoanalyse de la figure 415 que pour lrsquointervalle de 0 agrave
05s lrsquoirradiation est de 1KWm2 donc le panneau produit une puissance de 11000W ce qui
couvre la puissance demandeacutee par de la charge (10KW) donc ni la puissance du reacuteseau ni
celle de la batterie ne sont utiliseacutees pour la charge et dans ce cas on remarque que la batterie
se charge gracircce au surplus de la puissance du panneau ce qui explique lrsquoaugmentation du
SOC et la preacutesence drsquoun courant neacutegatif de la batterie Concernant le second intervalle de
05s-1s en conseacutequence de la diminution de lrsquoirradiation jusqursquoagrave 650Wm2 la puissance
produite par le panneau est de 7KW Dans ce cas la batterie intervient pour se deacutecharger et
compleacuteter le manque de la puissance demandeacutee par la charge ce qui explique la diminution
du SOC et son courant positif Finalement pour le dernier palier 1s-15s le niveau drsquoirradiation
est agrave 0Wm2 donc la puissance produite par le panneau est nulle ce qui impose lrsquoeacutechange
complet de lrsquoalimentation de la charge agrave partir de la batterie
46 Conclusion
Lrsquoanalyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes profiles de
lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee Lrsquoeacutetude sans avoir consideacutereacute le systegraveme de stockage a montreacute la
faisabiliteacute de connexion de la chaine photovoltaiumlque au reacuteseau de distribution alimentant une
charge alternative triphaseacutee de puissance exigeacutee Cependant lrsquoeacutenergie produite par le
panneau en surplus agrave celle consommeacutee par la charge pourrait avantageusement ecirctre stockeacutee
dans une batterie et ecirctre utiliseacutee en cas de besoin quand les conditions meacuteteacuteorologiques ne
permettent plus au panneau de deacutevelopper la puissance demandeacutee par la charge
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Conclusion Geacuteneacuterale
A LAKHDARA__Meacutemoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 59
CONCLUSION GENERALE
Les systegravemes photovoltaiumlques sont en demande croissante agrave travers le monde gracircce agrave leurs
efficaciteacute et avantages et ce notamment dans le domaine de la production et de la gestion de
lrsquoeacutenergie eacutelectrique
Le problegraveme poseacute par lrsquoutilisation des ressources fossiles a vu comme solution lrsquoutilisation
des eacutenergies renouvelables qui permettent une production de lrsquoeacutelectriciteacute proprement tout en
respectant les exigences sur la pollution Cependant gracircce aux encouragements des deacutecideurs
pour la promotion de la technologie photovoltaiumlque plusieurs travaux de recherches se sont
inscrits dans le domaine du deacuteveloppement et lrsquoameacutelioration des procegravedes de production
Toutefois le domaine drsquoapplications demeure loin des attentes au vue des eacutecheacuteanciers fixeacutes
par les organisations internationales et demeure une des preacuteoccupations majors de part le
monde
Le travail reacutealiseacute dans ce meacutemoire a consisteacute agrave lrsquoeacutetude drsquoune chaine photovoltaiumlque raccordeacutee
agrave un reacuteseau de distribution avec systegraveme une batterie de stockage A cet effet des notions sur
les systegravemes de conversion agrave base drsquoeacutenergies renouvelables leurs modeacutelisations ainsi que
leurs commandes ont fait partie de cette eacutetude Par ailleurs la partie stockage a eacuteteacute amplement
deacuteveloppeacutee et une analyse de sont application agrave eacuteteacute mise en eacutevidence
A lrsquoissue de la reacutealisation de ce travail on note que
les eacutenergies renouvelables sont en deacuteveloppement continu afin que leurs utilisations soient
tregraves reacutepandu en vue de se preacuteparer pour un avenir de production eacutenergeacutetique propre en
replacement des centrales agrave base drsquoeacutenergies fossiles qui causent de nos jours de grave
incidents particuliegraverement en pollution atmospheacuterique
Les convertisseurs statiques notamment les hacheurs et les onduleurs ont faits parties
inteacutegrantes des chaines de conversion photovoltaiumlque Concernant les hacheurs leur
utilisation eacutetait neacutecessaire pour lrsquoamplification de la tension de sortie du systegraveme
photovoltaiumlque et son utilisation pour le suivi de la puissance maximale produite Par ailleurs
sous une version ils sont utiliseacutes pour la charge et la deacutecharge des batteries de stockage A
leur tour les onduleurs permettent la liaison en tregraves la source photovoltaiumlque et le reacuteseau de
distribution
En termes de stockage de lrsquoeacutenergie une batterie est utiliseacutee avec un reacutegulateur
chargedeacutecharge et un hacheur Buck-Boost Pour cela un algorithme de fonctionnement
tenant compte des niveaux des SOCmax et SOCmin a eacuteteacute deacuteveloppeacute
Finalement une analyse du fonctionnement de la chaine de conversion sous deacutefeacuterentes
profiles de lrsquoirradiation a eacuteteacute consideacutereacutee avec et sans systegraveme de stockage
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
systegravemes de pompage raquo Docteur en co-tutelle de lrsquoUniversiteacute de Reims Champagne-Ardenne et de
lrsquoUniversiteacute de Sfax LrsquoEcole Nationale drsquoIngeacutenieurs de Sfax avril 2015
[2] Bendali Braham Mounir Khelif Mahdi laquoEtude et simulation drsquoune chaine de production
photovoltaique raquo Universiteacute Annaba 2018
[3] httpswwwles-energies-renouvelableseuconseilsphotovoltaiqueavantages-panneau-solaire-
photovoltaique (Mise agrave jour le 1 janvier 2019)
[4]httpswwwpicbleufrpagesolaire-photovoltaique-questions-sur-le-cout-interet-amortissement
[5] Bloomberg Lusine de lrsquoeacutenergie 64 drsquoeacutelectriciteacute renouvelable dans le monde en 2050 publieacute
le 26062018
[6] Agence Internationale de lrsquoEnergie laquo Les eacutenergies renouvelables dans le monde raquo REN21
Rapport mondial 2017 sur les eacutenergies renouvelables
[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-
energie229-consommation-mondiale-d-energie-en-tep-html
[8] Aspo httpenergiepourdemainfrtaggaz-de-schistes
[9] Agence Ecofin httpswwwagenceecofincomenergies-renouvelables2303-55522-algerie-27-
de-la-production-d-electricite-sera-dorigine-renouvelable-d-ici-2030 Date de creacuteation 23 mars
2018
[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies
renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin
2018 httpsportailcderdzspipphparticle6566
[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec
PUQ 2008
[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo
httpwwwmemalgeria
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 61
[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 60
REFERENCES
[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux
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2018
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Reacutefeacuterences
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tlemcendz
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[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
Reacutefeacuterences
A Lakhdara_Memoire de fin drsquoeacutetude Master 2_2019 Page 62
[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Reacutefeacuterences
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[13] H Hamidi laquo Etude des meacutethodes dingeacutenierie de bandes par les alliages
semiconducteurs et leur rocircle en photovoltaiumlque raquo H HAMIDI - dspaceuniv-
tlemcendz
[14] D Zaouk Y Zaatar A Khoury C Llinares laquo Electrical and optical
characteristics of NAPS solar cells of Si (PiN) structure raquo 2000 - ieeexploreieeeorg
[15]httpswwwgooglecomsearchq=Normes+de+mesures+du+spectre+dE28099C3A9
nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f
rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-
AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657
[16] S Peacutetion laquo Nouvelles architectures distribueacutees de gestion et de conversion de lrsquoeacutenergie pour
les applications photovoltaiumlques raquo Thegravese de doctorat universiteacute de Toulouse 2009
[17] Source NREL solar spectrum ENR Energie Solaire plateforme-theoreme-upmcfr
httpswwwgooglecomsearchq=Spectres+Solaires+relevC3A9s+dans+plusieurs+conditions
+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve
d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1
366ampbih=657
[18] S Astier laquo Conversion photovoltaiumlque du rayonnement solaire agrave la cellule raquo Techniques de
lrsquoingeacutenieur D3935 2008
[19] Cabal C laquo Optimisation eacutenergeacutetique de lrsquoeacutetage drsquoadaptation eacutelectronique deacutedieacute agrave la conversion
photovoltaiumlqueraquo Thegravese de doctorat 2008
[20] Faranda R Leva S ldquoEnergy comparison of MPPT techniques for PV Systemsrdquo Wseas
Transactions on Power Systems Issue 6 Volume 3 Juin 2008
[21] Cid Pastor A laquo Conception et reacutealisation de modules photovoltaiumlques eacutelectroniquesraquo Thegravese de
doctorat Universiteacute de Toulouse 2006
[22] Helali K laquo Modeacutelisation drsquoune cellule photovoltaique eacutetude comparative raquo Meacutemoire de
Majistaire 2012 Universiteacute de Mouloud Mammeri de Tizi-Ouzou
[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes
giamarchiiut-nimesfr]us
[24] Bernard FONTAINE laquo La production photovoltaiumlque drsquoeacutelectriciteacute quelles perspectives pour
le Pays Provence Verte raquo Directeur de Recherche au CNRS Conseiller Municipal de Gareacuteoult
Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte
Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009
[25] N Abouchabana laquo Etude drsquoune nouvelle topologie buck-boost appliqueacutee agrave un MPPT raquo
Meacutemoire de Magistegravere Ecole Nationale Polytechnique Alger Algeacuterie 2009
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alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
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peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
-
Reacutefeacuterences
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[26] Jean-Yves laquo ALIMENTATION A DECOUPAGE Etude choix et dimensionnement des
alimentations agrave deacutecoupage usuelles raquo LE CHENADEC Lyceacutee Louis ARMAND
jylechenadeclibertysurffr
[27] Mimou Azzoug laquo Dimensionnement et conception des hacheurs Buck-Boost amp ccediluk raquo
[28] Ouabdelkader Katia Mersel Houria laquo Modeacutelisation et Controcircle drsquoun Systegraveme Photovoltaiumlque
Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015
[29] FSalama laquo Modeacutelisation drsquoun systegraveme multi geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques interconnecteacutes au
reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011
[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement
of the Requirements for the Degree of Master of Science in Electrical Engineering Faculty of
California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005
[31] Touzani Youcef laquoCommande aleacuteatoire du convertisseur Buck-Boost triphaseacute agrave preacutelegravevement
sinusoiumldale du courant raquo thegravese de Doctorat Universiteacute de Clermont-Ferrand 10072010
[32] GHaizea laquo Etude de structure drsquointeacutegration des systegravemes de geacuteneacuteration deacutecentraliseacutes
application au micro reacuteseaux raquo Thegravese de doctorat dans le cadre de lrsquoeacutecole doctorale de Grenoble
15 Deacutecembre 2006
[33] A Lakhdara M Taguig laquo Etude des performance drsquoun moteur asynchrone associeacute a un
onduleur multiniveau raquo Universiteacute de Annaba 2008
[34] R Merahi laquo Modeacutelisation drsquoun dispositif MPPT pour lrsquoeacutetude de lrsquoaugmentation de la
puissance produite par les geacuteneacuterateurs photovoltaiumlques raquo Meacutemoire de Magistegravere Universiteacute de
Annaba 2010
[35] E Gholipour Shahraki laquo Apport de lrsquoUPFC agrave lrsquoameacutelioration de la stabiliteacute transitoire des
reacuteseaux eacutelectriques raquo Thegravese de Doctorat de lrsquoUniversiteacute Henri Poincareacute Nancy-I Octobre 2003
[36] J XU laquo Filtrage actif shunt des harmoniques des reacuteseaux de distribution drsquoeacutelectriciteacute raquo Thegravese
de doctorat de lrsquoINPL Nancy Janvier 1994
[37] Vincent Benamara laquo Eacutetude et simulation drsquoun panneau solaire raccordeacute au reacuteseau avec
peacuteripheacuterique de stockage raquo Eacutecole de technologie supeacuterieure universiteacute du Queacutebec Montreacuteal 2012
- 1Cover page
- 2Remerciments
- 3 Dedicace
- 4 Reacutesumeacute
- 5Table des figures
- 6liste des tableaux
- 7 Nomenclature
- 8Sommaire
- 9Introduction geacuteneacuterale
- 10Chapitre 1_FIN
- 11Chapitre 2_FIN
- 12Chapitre 3_FIN
- 13Chapitre 4___FIN
- 14Conclusion geacuteneacuterale
- 15References
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