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

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

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

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

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

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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

Table des figures

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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

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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

Liste des tableaux

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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

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

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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

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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 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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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

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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

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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

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

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

Introduction geacuteneacuterale

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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

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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 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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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

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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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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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 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

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

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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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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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

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

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

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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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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[7] Statistical Review of World Energy Juin 2017 httpswwwplanetoscopecomSource-d-

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2018

[10] Renewable Energy Policy Network for the 21st Century laquo Rapport 2018 sur les eacutenergies

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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

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

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

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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-

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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

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

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

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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

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

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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

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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

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

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

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

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

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

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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

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

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

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

PUQ 2008

[112] Ministegravere de lrsquoEnergie et des Mines laquo Guide des Energies renouvelables raquo

httpwwwmemalgeria

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

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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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[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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REFERENCES

[1] SAbouda laquo contribution agrave la commande des systegravemes photovoltaiumlques applications aux

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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)

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renouvelables du reacuteseau drsquoexperts REN21 lrsquoAlgeacuterie au TOP des pays africains raquo Lundi 4 juin

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[11] M Benhaddadi G Olivier laquo Dilemmes Energeacutetiques raquo Presses de lrsquouniversiteacute du Queacutebec

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nergie+lumineuse+C3A9mis+par+le+soleil+notion+de+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_f

rDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampved=0ahUKEwjMs72Wn-DiAhWi2-

AKHcNEA58Q_AUIECgBampbiw=1366ampbih=657

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+selon+la+convention+AMamprlz=1C1CHBD_frDZ819DZ819ampsource=lnmsamptbm=ischampsa=Xampve

d=0ahUKEwjT8ci5oODiAhWOkxQKHXYtCBcQ_AUIESgCampcshid=1560215727139726ampbiw=1

366ampbih=657

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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

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[23] Fiche technique 22 mars 2008 (suite) Cellule Solaire Modegravele Spice IUT de Nicircmes

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Secreacutetaire Geacuteneacuteral du Conseil de Deacuteveloppement du Pays Provence Verte

Bernardfontainelp3univ-mrsfr Juillet 2009

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Connecteacute au Reacuteseau raquo Bejaia 2015

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reacuteseau eacutelectriqueraquo Meacutemoire de Magister Universiteacute de Seacutetif 2011

[30] A Oi laquo Design and simulation of photovoltaique water pumping system raquo Partial Fulfillement

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California Polytechnic State University San Louis Obispo Septembre 2005

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[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

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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