Onduleur pour les systèmes photovoltaïques

Applications des systèmes photovoltaïques

Les principales applications des systèmes photovoltaïques sont données comme suit : Systèmes autonomes : Une installation photovoltaïque autonome fonctionne indépendamment du réseau électrique ou toutes autres sources d’énergies. Dans la majorité des cas, ce type d’installation est employée dans les sites isolés. Une telle installation doit être capable de fournir de l’énergie, y compris lorsqu’il n’y a pas de soleil (la nuit ou en cas de mauvais temps). Donc il est nécessaire de stocker dans des batteries une partie de la production journalière des modules photovoltaïques. Cette installation se compose d’un ou plusieurs modules photovoltaïques, d’un régulateur de charge, d’une ou plusieurs batteries et d’un onduleur.
Systèmes hybrides : Les systèmes hybrides sont une association de deux ou plusieurs technologies complémentaires de manière à accroître la fourniture d’énergie. Les sources d’énergie comme le soleil et le vent ne délivrent pas une puissance constante, et leur combinaison peut permettre de parvenir à une production électrique plus continue dans le temps. Les systèmes hybrides fonctionnent par les batteries chargées par les panneaux solaires (le jour) et par le générateur éolien (lorsqu’il y’a du vent).
Systèmes couplés au réseau : Les installations connectées au réseau électrique constituent généralement une solution parfaite pour la production de l’électricité solaire, en termes d’énergie et de coûts.
Ces installations se composent de modules photovoltaïques interconnectés, d’un ou plusieurs onduleurs raccordés au réseau électrique. L’onduleur converti le courant continu généré par les modules photovoltaïques et produit un courant alternatif conforme au réseau électrique .

La conversion d’énergie solaire en énergie électrique

En frappant les cellules semi-conductrices, les photons du rayonnement solaire provoquent l’apparition d’un courant électrique continu de l’ordre de quelques ampères sous une tension de l’ordre de quelques centaines de millivolts .
Le terme « photovoltaïque » vient du Grec et qui signifie Lumière, il est composé de deux parties : « photos » (lumière) et du nom de famille du physicien italien (Allessandro Volta) qui inventa la pile électrique en 1800 et donna son nom à l’unité de mesure de la tension électrique, le volt..
Si l’électron revient à son état initial, l’agitation de l’électron se traduit par un échauffement du matériau. L’énergie cinétique du photon est transformée en énergie thermique.
Par contre, dans les cellules photovoltaïques, une partie des électrons ne revient pas à son état initial. Les électrons « arrachés » créent une tension électrique continue faible. Une partie de l’énergie cinétique des photons est ainsi directement transformée en énergie électrique: c’est l’effet photovoltaïque.
L’effet photovoltaïque constitue la conversion directe de l’énergie du rayonnement solaire en énergie électrique au moyen de cellules généralement à base de silicium. Pour obtenir une puissance suffisante, les cellules sont reliées entre elles et constituent le module solaire. Afin d’augmenter la tension, les cellules sont assemblées en séries pour former des modules «panneaux solaires». Les modules sont à leur tour mis en séries appelées «chaînes » (‘strings’) et les chaînes mises en parallèle pour obtenir des générateurs (‘arrays’). Ces derniers peuvent aller de quelques centaines de VA à plusieurs MVA. Le courant continu produit varie en permanence en fonction de l’intensité lumineuse reçue et de la température. L’unité de mesure photovoltaïque est le Watt-crête (WC). C’est la puissance théorique exprimée en WC ou en kWC d’une installation lorsqu’elle est soumise à un éclairement de1000 W/m2 perpendiculaire à la surface des capteurs, à une température conventionnelle de 25°C.

Recherche du point de puissance optimal

Le branchement d’une charge à un générateur photovoltaïque est le mode de couplage le plus simple. Le point de fonctionnement dans ce cas se situe à l’intersection de la droite de charge et de la caractéristique I-V du générateur. Ce point ne peut pas coïncider avec le point de puissance maximale, il résulte une perte de puissance maximale du système. Ce problème peut être résolu soit par le changement de configuration du générateur photovoltaïque, soit par l’adjonction d’un dispositif de recherche de point de puissance maximale placé entre le générateur et le convertisseur continu – continu (hacheur élévateur) pour assurer l’adaptation d’impédance.
La cellule (ou module) photovoltaïque a un point de puissance maximale (PPM) qui varie en fonction de l’ensoleillement et de la température. Ceci est obtenu par l’intermédiaire des commandes MPPT, ‘Maximum Power Point Tracking’ analogiques ou numériques. Il est conçu généralement avec un convertisseur qui règle la puissance tirée du panneau solaire. En changeant la commande des commutateurs, l’énergie transférée par le convertisseur peut être commandée avec précision.
Le point maximum de puissance (MPP) est généralement contrôlé par deux variables de commande. La tension ou la puissance est à chaque fois mesurée est employé à nouveau dans une boucle pour déterminer si le module solaire est au point de puissance maximale.
Plusieurs travaux sur des commandes assurant un fonctionnement de type MPPT apparaissent régulièrement depuis 1968, date de publication de la première loi de commande de ce type adaptée à une source d’énergie renouvelable de type PV.

Le convertisseur continu- alternatif

le choix de l’onduleur : La conception de l’ensemble du système photovoltaïque de façon à extraire le maximum de puissance du générateur photovoltaïque, nécessite l’utilisation d’un onduleur assurant la conversion DC/AC. Il peut être conçu à base de transistors de puissance ou à thyristors (GTO) utilisés comme commutateurs de puissance .
La fréquence de commutation de semi- conducteurs détermine la fréquence de la tension de sortie. L’onduleur autonome impose lui- même la forme et la fréquence de l’onde de sortie.
Dans le système de pompage photovoltaïque, la connexion entre le générateur photovoltaïque et la pompe entraînée par un moteur asynchrone à cage est faite par un onduleur. Ce dernier permet de réaliser un transfert optimal de puissance entre le générateur et le groupe motopompe sous les conditions variables de la puissance produite et de la demande en puissance.
Ce transfert est contrôle par variation de fréquence. Selon le mode de commutation, on peut distinguer : Onduleur à onde rectangulaire. Onduleur à créneaux de largeur variable. Onduleur à modulation de largeur d’impulsion (MLI).
Dans notre système, nous pouvons utiliser un onduleur de tension en MLI triphasée, spécialement pour l’alimentation des récepteurs triphasés, tel qu’un groupe motopompe à tension et à fréquence variable. Certains constructeurs ont choisi d’utiliser des convertisseurs élévateurs (boost) pour élargir cette gamme d’entrée. Ils permettent de convertir de petites tensions d’entrée avec des courants importants en grandes tensions et faibles courants. L’onduleur ne nécessite alors pas de puissant transformateur. Il est plus aisé d’améliorer l’efficacité en travaillant avec des courants faibles car les pertes sont moins importantes, même le convertisseur lui-même provoque quelques pertes. Les onduleurs sans transformateur, bien que considérés comme la technologie de l’avenir, ne sont pour l’instant pas considérés comme le meilleur choix d’onduleur pour des systèmes à couches minces. En effet, les modules non isolés du réseau seraient soumis, entre autres, à des tensions négatives.
Utilisation des onduleurs : Ils sont utilisés en électrotechnique pour : Soit fournir des tensions ou courants alternatifs de fréquence et amplitudes variables. Soit fournir une ou des tensions alternatives de fréquence et d’amplitude fixes.
On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant, en fonction de la source d’entrée continue (source de tension ou source de courant). La technologie des onduleurs de tension est la plus maîtrisée et plus utilisée dans la plupart des systèmes industriels, dans toutes les gammes de puissance (quelques Watts à plusieurs MW).

Moteur asynchrone

L’étude analytique de la machine asynchrone s’appuie sur deux approches différentes. La première est basée sur les grandeurs physiques, telles que les inductions magnétiques et les densités de courant électrique, elle s’adresse de plus près aux constructeurs. Elle est plus précise mais très complexe et demande en plus un programme rigoureux pour le calcul de champ et nécessite pour cela un moyen de calcul très important. La deuxième est basée sur les grandeurs électriques, présente moins de précision et s’adresse aux concepteurs d’ensemble machine-convertisseur. Le système d’entraînement de la machine asynchrone intègre généralement les parties suivantes: l’alimentation, le convertisseur statique, la machine et la commande indispensable au fonctionnement de l’ensemble. De ce fait, une modélisation de la machine asynchrone, destinée aussi bien à l’étude de son comportement qu’à la mise en place des fonctionnements de la commande est nécessaire pour le bon déroulement du processus d’entraînement.
L’objectif est de présenter mathématiquement, et d’un point de vue de l’automaticien, une modélisation de la machine asynchrone. Ce modèle mathématique doit être assez précis et suffisamment représentatif du système physique afin de permettre une conception convenable des contrôleurs d’une part et d’effectuer des simulations fiables d’autres part .
Le choix du modèle et de son degré de complexité s’avère d’une grande importance. Nous notons que plusieurs modèles peuvent être établis. Le choix donc du modèle s’articule essentiellement sur les phénomènes à mettre en évidence et il s’effectue également en fonction de la difficulté de mise en œuvre, à savoir le temps de calcul, la taille mémoire requise, …etc.
Description de la machine asynchrone : Une machine asynchrone à cage est constituée d’une partie statique appelée stator constitué d’un circuit magnétique comportant plusieurs encoches à l’intérieur desquelles sont embobinés trois enroulements. Au centre de ce cylindre, on retrouve le rotor qui peut être à cage ou bobiné.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre1: Chaine de conversion de l’énergie solaire en énergie électrique
Introduction
I-1Applications des systèmes photovoltaïques
I-1-1 Systèmes autonomes
I-1-2 Systèmes hybrides
I-1-3 Systèmes couplés au réseau
I-1-4 Systèmes fonctionnant à l‘aide de l‘énergie solaire photovoltaïque (Pompage photovoltaïque)
I-2 Chaines de conversion des énergies photovoltaïques
I-3 chaine de conversion de l’énergie photovoltaïque étudiée
I-3-1 Cellule photovoltaïque
I-3-1-1 La conversion d’énergie solaire en énergie électrique
I-3-1-1-a MODULE PHOTOVOLTAIQUE
I-3-1-1-b MODÈLE DE CELLULES SOLAIRES
I-3-1-1-c CARACTERISTIQUES COURANT-TENSION
I-3-1-1-d PARAMETRES DE LA CELLULE SOLAIRE
d-1 COURANT DE COURT-CIRCUIT (Icc)
d-2 TENSION DE CIRCUIT OUVERT (Voc)
I-3-1-1-e EFFET DE L’ENSOLEILLEMENT SUR LES CARACTERISTIQUES (I-V)
I-3-1-1-f EFFET DE TEMPERATURE SUR LES CARACTERISTIQUES I-V
I-3-1-2 interprétation des résultats
I-3-2 Recherche du point de puissance optimal
I-3-2-1 La commande Maximum Power Point Tracking (MPPT)
I-3-2-2 Synthèse d’algorithme de recherche du point de puissance maximale
I-3-3 CONVERTISSEURS DC-DC POUR MPPT
I-3-3-1 Les applications des hacheurs sont nombreuses
I-3-3-2- Le choix du convertisseur continu – continu
I-3-3-2-a Hacheur Buck (série) (abisseur de tension)
I-3-3-2-b Hacheur parallèle (élévateur de tension)
I-3-3-2-c Principe de fonctionnement du convertisseur « boost »
I-3-3-3 Modélisation et Simulation d’un convertisseur « boost »
I-3-3-3-a Modélisation
I-3-3-3-b Simulation
I-3-4 – Le convertisseur continu- alternatif
I-3-4-1 le choix de l’onduleur
I-3-4-2 Utilisation des onduleurs
I-3-4-3 Technologies des onduleurs
I-3-4-3-1 Onduleurs modulaires (module inverter)
I-3-4-3-2 Onduleurs centralisés (central inverter)
I-3-4-3-3 Onduleurs « String » ou « de Rangée »
I-3-4-4 Généralités et principe de fonctionnement d’onduleur
a- Définition
I-3-5 Moteur asynchrone
I-3-5-1 Equations de base du moteur asynchrone
I-3-5-2 Les hypothèses simplificatrices
I-3-5-3 Equations de la machine asynchrone en régime dynamique
a- Equations des tensions
b-Equations des flux
I-3-5-4 Transformation de Park appliquée à la MAS
C-Equation électrique
D-Equations magnétique
E-Equations mécaniques
I-3-5-5 Choix du repère dq
I-3-5-6 Expression du couple instantané en régime quelconque
I-3-5-6-1 Puissance instantanée
I-3-5-6-2 Modèle mathématiques générale de la machine asynchrone
Conclusion
Chapitre 2 Les onduleurs et leurs stratégies de commande
Introduction
II-1 Montage onduleur
II-2 Différents types d’onduleurs
II -2-1 les onduleurs monophasés
II -2-2 Les onduleurs triphasés
II-2-3 Les onduleurs multiniveaux
II-3 Les avantages et les inconvénients de l’onduleur
II-4 Modélisation des onduleurs de tension
II-5 Les déférentes stratégies de commande appliquée à l’onduleur de tension
II-5-1- Commande en pleine onde
I-5-2- La commande à onde décalé (120°)
II-5-3 Commande par hystérésis
II-5-4 La Modulation de largeur d’impulsion
a- Principe de la modulation de largeur d’impulsion
b- Principaux avantages de la MLI
c- Inconvénients de la MLI
II-5-4-1 Commande triangule-sinusoïdale
a- Principe de base
b- Conséquences
C- Caractéristique de la modulation de largeur d’impulsion (MLI)
E- La qualité du signal
II-5-4-2 MLI à échantillonnage périodique
II-5-4-3 La commande a MLI discontinu
a- Principe de base
II-5-4-4 Commande à MLI vectorielle
II-5-4-4-a Principe de la modulation vectorielle
II-5-4-4-b Détermination des secteurs
Conclusion
Chapitre III Simulations et expérimentation du système étudié
Introduction
III-1 Simulation du système étudié
III-2 Montage de simulation
III-3 Résultats de simulation et interprétation
III-4 Essais expérimentaux
III-5 Schéma bloc
III-6 Comparaison des résultats expérimentaux
III-7 Résultats et discussions
Conclusion
Conclusion générale
Les références bibliographiques
Annexe