Etat de l’art sur les énergies renouvelables

Modélisation optimisation d’un système de production d’énergie photovoltaïque avec un système de stockage hybride

Convertisseurs DC/DC et DC/AC 

 Pour qu’un module photovoltaïque fournisse sa puissance maximale disponible, il faut une adaptation permanente de la charge avec le générateur photovoltaïque. Cette adaptation peut être réalisée par l’insertion d’un convertisseur DC-DC contrôlé par un mécanisme de poursuite MPPT «Maximum Power Point Tracking». Plusieurs dispositifs nécessitent l’énergie alternative, donc pour les alimenter par un générateur photovoltaïque il faut utiliser un convertisseur DC-AC. Il y a plusieurs commandes et le but de ces commandes est d’avoir un signal sinusoïdal. Dans ce chapitre on va étudier les convertisseurs DC-DC et DC-AC, utilisés dans les systèmes photovoltaïques. On va décrire la commande MPPT du convertisseur DC-DC et la commande MLI du convertisseur DC-AC. III.1 Les Hacheurs : Les hacheurs sont des convertisseurs du type continu-continu permettant de contrôler la puissance électrique dans des circuits fonctionnant en courant continu avec une très grande souplesse et un rendement élevé (fig. III.1). Le hacheur se compose de condensateurs, d’inductances et de commutateurs. Dans le cas idéal, tous ces dispositifs ne consomment aucune puissance active, c’est la raison pour laquelle les hacheurs ont de bons rendements. Un hacheur permet de régler le transfert d’énergie d’une source continue vers la charge avec un rendement élevé. Selon la structure, il peut être abaisseur ou élévateur de tension et dans certaines conditions, renvoyer de l’énergie à l’alimentation. Il est utilisé dans les alimentations et pour le pilotage des moteurs. Fig III.1 Symbole d’un convertisseur DC-DC.

Type des hacheurs 

Nous traitons dans cette partie les convertisseurs unidirectionnels en courant et en tension. Cela implique que la fluence d’énergie ne peut se faire, au sein du convertisseur, que dans un seul sens. Cela revient également à considérer : – des sources de tension non réversibles, unidirectionnelles en courant. – des sources de courant non réversibles, unidirectionnelles en tension. Cela conduit à l’étude des convertisseurs DC-DC les plus simples qui puissent être. Dans ce cadre, on distingue trois familles de convertisseurs statiques (ou hacheurs). – hacheur abaisseur (ou buck), – hacheur élévateur (ou boost), – hacheur abaisseur-élévateur (buck-boost)

Hacheur Buck

Le convertisseur Buck peut être souvent trouvé dans la littérature sous le nom de hacheur dévolteur ou hacheur série. C’est un convertisseur direct DC-DC. La source d’entrée est de type tension continue et la charge de sortie continue de type source de courant. L’interrupteur K peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l’amorçage). C’est un convertisseur direct DC-DC. La source d’entrée est de type tension continue et la charge de sortie continue de type source de courant. L’interrupteur K (fig. III.2) peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l’amorçage). 

Fonctionnement 

Quand l’interrupteur est fermé pendant la durée αTe , la tension appliquée aux bornes de la diode est Vt. L’interrupteur est commandé à la fréquence de découpage f = 1 T e . La source fournit Vi de l’énergie à la charge et à l’inductance. Pendant le temps t = [αTe, Te], l’interrupteur s’ouvre et l’énergie emmagasinée dans l’inductance commande la circulation du courant dans la diode de roue libre D. La tension à ses bornes est donc nulle [44]. Les chronogrammes (tracés dans le cas idéal) de la figure III.3 sont tracés dans le cas d’une conduction continue, c’est-à-dire que le courant ne repasse jamais par zéro. Pour calculer la relation entre la tension d’entrée et celle de sortie, on exprime que la tension moyenne aux bornes de l’inductance est nulle [44]: 0 . V V  i (III.1) Fig III.3 Chronogrammes du courant et de la tension d’un hacheur buck. b) Modèle mathématique équivalent : Pour savoir le comportement réel nous devons faire la représentation du circuit équivalent par les deux états du commutateur et de tirer par suite le modèle mathématique reliant les variables d’entrée/sortie. La figure III.4 montre le schéma du circuit équivalent d’un convertisseur dévolteur avec le commutateur fermé, tandis que la figure III.5 représente le convertisseur dévolteur avec le commutateur ouvert [45]. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 49~ Fig III.4 Schéma électrique d’un hacheur buck fermé. Lorsqu’on applique la loi de Kirchhoff sur le circuit ci-dessus on aura les équations suivantes 

Hacheur boost 

Ce dernier est un convertisseur survolteur, connu aussi sous le nom de hacheur parallèle. Son application typique est de convertir sa tension d’entrée en une tension de sortie supérieure [45]. C’est un convertisseur direct DC-DC. La source d’entrée est de type courant continu (inductance en série avec une source de tension) et la charge de sortie est de type tension continue (condensateur en parallèle avec la charge résistive). L’interrupteur K peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l’amorçage) [43] (fig. III.6). Fig III.6 Schéma électrique d’un hacheur boost. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 51~ a) Fonctionnement : Quand l’interrupteur est fermé pendant la durée αTe, le courant dans l’inductance croît linéairement (fig. III.7). La tension aux bornes de K est nulle. Pendant le temps t= [αTe, Te], l’interrupteur s’ouvre et l’énergie emmagasinée dans l’inductance commande la circulation du courant dans la diode de roue libre D. On a alors Vk=V0. En écrivant que la tension aux bornes de l’inductance est nulle, on arrive à [44] : 0 (1 ) V V    i (III.8) Fig III.7 Chronogrammes du courant et de la tension d’un hacheur boost. a) Modèle mathématique équivalent : Afin de pouvoir synthétiser les fonctions du hacheur survolteur à l’état d’équilibre, il est nécessaire de présenter les schémas équivalents du circuit à chaque position de l’interrupteur K. Celui de la figure III.8, présente le circuit équivalent du boost lorsque K est fermé c’est-àdire entre [0, αTe] [45]. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 52~ Fig III.8 Schéma électrique d’un hacheur boost fermé. Comme pour le circuit buck, l’application des lois de Kirchhoff sur les circuits équivalents des deux phases de fonctionnement donne À l’état ouvert de l’interrupteur K, le circuit équivalent au fonctionnement du boost est le suivant (fig. III.9) : Fig III.9 Schéma électrique d’un hacheur boost ouvert. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 53~ 1 1 ( ) ( ) ( ) ( ) i c i L dv t I t C I t I t dt    (III.12) 2 0 2 0 ( ) ( ) ( ) c L dv t I t C I I t dt    (III.13) 0 ( ) ( ) ( ) ( ) L L i dI t V t L V t V t dt    (III.14) III.1.2.3 Hacheur Buck-Boost : Un convertisseur Buck-Boost est une alimentation à découpage qui convertit une tension continue en une autre tension continue de plus faible ou plus grande valeur mais de polarité inverse. C’est un convertisseur indirect DC-DC à stockage inductif. La source d’entrée est de type tension continue (filtrage capacitif en parallèle avec une source de tension) et la charge de sortie continue de type source de tension (condensateur en parallèle avec la charge résistive). L’interrupteur K peut être remplacé par un transistor puisque le courant est toujours positif et que les commutations doivent être commandées (au blocage et à l’amorçage) [43] (fig.10). Fig III.10 Schéma électrique d’un hacheur buck-boost. a) Fonctionnement : Cette structure de convertisseur permet d’obtenir des tensions négatives à partir de tension positive. Le schéma de principe est présenté dans la figure III.11. Quand l’interrupteur est fermé Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 54~ pendant la durée αTe, le courant augmente linéairement. La tension est égale à Vi. À l’ouverture de K, la diode prend le relais et la tension VL est égale a – V0. Par définition la tension moyenne aux bornes de l’inductance est nulle. Il en résulte que [44] : 0 . . (1 ) V T V T i     (III.15) Quand le rapport cyclique α > 0,5 , le hacheur buck-boost fonctionne comme un hacheur boost et si le rapport cyclique α < 0,5 , le hacheur buck-boost fonctionne comme un hacheur buck. Fig III.11 Chronogrammes du courant et de la tension d’un hacheur buck-boost. b) Modèle mathématique équivalent : Lorsque l’interrupteur K est fermé le circuit équivalent est montré sur la figure (III.12). Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 55~ Fig III.12 Schéma électrique d’un hacheur buck-boost fermé. En appliquant la loi de Kirchhoff à ce circuit, on obtiendra les équations suivantes  (III.18) Lorsque l’interrupteur K est ouvert le circuit équivalent apparaît à la figure III.13 : Fig III.13 Schéma électrique d’un hacheur buck- boost ouvert. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 56~ Le modèle d’équation dans cette configuration est comme suit : 1 1 ( ) ( ) ( ) i c i dv t I t C I t dt   (III.19) 2 0 2 0 ( ) ( ) ( ) ( ) c L dv t I t C I t I t dt    (III.20) 0 ( ) ( ) ( ) L L dI t V t L V t dt   (III.21) Il existe d’autres types de convertisseur DC/DC plus complexes que ceux décrits en haut. Le tableau III.1 donne une idée sur la complexité de chaque type de convertisseur [46]. Tableau III.1 types de convertisseur DC/DC [46]. III.2 Commandes MPPT des convertisseurs DC-DC : Nous pouvons classifier d’une manière générale les commandes MPPT selon le type d’implémentation électronique: analogique, numérique ou mixte. Il est cependant plus intéressant de les classifier selon le type de recherche qu’elles effectuent et selon les paramètres d’entrée de la commande du MPPT. Chapitre III Convertisseurs DC/DC et AC/DC ~ 57~ Il existe un grand nombre de publications scientifiques qui présentent des commandes du MPPT plus ou moins complexes. La figure III.14 montre le diagramme synoptique d’un système photovoltaïque, avec un module MPPT qui a pour entrées la tension et le courant de sortie du module [47]. Dans la plupart des cas, on fait une maximisation de la puissance fournie par le module solaire. La poursuite du point de puissance maximale (MPPT) (Maximum Power Point Tracker) est nécessaire pour extraire le maximum de puissance du module PV. En général, un convertisseur DC/DC est placé entre la source PV et la charge, en faisant varier le rapport cyclique du point de fonctionnement. Fig. III.14 Schéma synoptique d’un système photovoltaïque avec MPPT [47]. III.2.1 Les méthodes de poursuite de MPP : Il existe de nombreux algorithmes utilisés pour trouver le point de puissance maximale. Idéalement, le suivi de la puissance se fait automatiquement pour s’adapter aux conditions météorologiques variables. Ces méthodes sont basées sur des algorithmes de recherche itérative pour trouver le point de fonctionnement du module solaire pour que la puissance générée soit maximale sans interruption de fonctionnement du système. Elles ne sont pas basées sur des valeurs de références prédéfinies ou à partir des paramètres opérationnels, mais sur la maximisation permanente de la puissance générée par les modules photovoltaïque PV. La puissance extraite du module est calculée à partir des mesures de courant I et de tension V du module et la multiplication de ces deux grandeurs Ppv =Ipv *Vpv.

Méthodes à contre réaction de tension

Ce genre de mécanismes repose sur le contrôle de la tension de fonctionnement des panneaux par la comparaison de cette tension avec une tension de référence. Cela génère une tension d’erreur qui fait varier le rapport cyclique de la PWM de commande afin d’annuler cette erreur. Selon la nature de cette tension de référence (fixe ou variable, interne ou externe) on a trois types de méthodes : – Méthode à tension de référence fixe ; – Méthode a tension de référence en fonction d’un paramètre ; – Tension de référence extrême (cellule pilote). 

Méthodes à contre réaction de courant

Cette méthode utilise seulement une mesure de courant pour obtenir l’information sur le point opérationnel et actuel du système. Elle permet de savoir la valeur du courant optimal dans lequel doit fonctionner le panneau pour extraire le maximum de puissance. – Méthode à courant de référence en fonction du courant de court-circuit. – Méthode de maximisation du courant de sortie.

Méthodes à contre réaction de puissance

Ces méthodes sont basées sur des algorithmes de recherche itérative pour trouver le point de fonctionnement du panneau pour que la puissance générée soit maximale sans interruption de fonctionnement du système. Elles ne sont pas basées sur des valeurs de références prédéfinies ou à partir des paramètres opérationnels, mais sur la maximisation permanente de la puissance générée par les panneaux solaires. Ainsi pour un point donné, on fait la recherche dans un certain sens. Si on a une augmentation de la puissance du panneau alors on maintient cette direction de recherche, sinon on cherche dans le sens opposé.

Algorithme « perturbation et observation » 

C’est l’algorithme de poursuite du point de puissance maximale (PPM) le plus utilisé, et comme son nom l’indique il est basé sur la perturbation du système par l’augmentation ou la diminution de la tension de référence, ou en agissant directement sur le rapport cyclique du convertisseur (DC-DC)