TH`ESE Optimisation de la production de l'électricité renouvelable

Ecole doctorale STS

THESEPour l’obtention du grade de

Docteur de l’Universite de Reims Champagne-Ardenne

Specialite : Automatique

Presentee et soutenue par

Minh Huynh Quang

Optimisation de la production del’electricite renouvelable pour site

isole

These dirigee par M.Abdelaziz Hamzaoui

Jury

Rapporteurs M.Chaabane Mohamed - Universite de Sfax, TunisieM.Bouyekhf Rachid - Universite de Technologie de Belfort-Montbeliard

President M.Farouk Yalaoui - Universite de Technologie de TroyesExaminateur M.Abdelaziz Hamzaoui - Universite de Reims Champagne-Ardenne

M.Najib Essounbouli - Universite de Reims Champagne-ArdenneM.Frederic Nollet - Universite de Reims Champagne-ArdenneM.Abdel Ghani Aissaoui - Universite de Bechar, Algerie

Resume

Le but de cette these est l’optimisation de la production de l’electricite renouvelablepour site isole de faible puissance. Un systeme utilisant deux sources renouvelables :photovoltaıque et eolienne, est etudie afin d’ameliorer le rendement energetique del’energie extraite. Pour la chaine de conversion photovoltaıque, un controleur poursuivre le point de puissance maximale est concu en utilisant l’approche de recherchedirecte (methode Perturbe & Observe) combinee avec la logique floue, tout en prenanten compte le sens de variation des perturbations. Avec cette combinaison, on peut eviterdes defauts de la methode Perturbe & Observe, s’affranchir des informations sur lescaracteristiques du panneau photovoltaıque et des conditions climatiques. Egalement,pour la chaine de conversion eolienne de petite puissance fonctionnant a vitesse variablecouplee a un generateur synchrone a aimant permanent, un controleur pour suivre lepoint de puissance maximale est propose qui est base sur le meme principe par rapporta la chaine de conversion photovoltaıque. Cette approche proposee a l’avantage del’utilisation d’un capteur de tension au lieu d’un capteur de vitesse, ceci presente uninteret certain notamment pour sites isoles par rapport aux autres solutions. Enfin, pourla realisation d’un systeme de production d’electricite hybride, un superviseur flou estconcu pour obtenir un comportement optimal du systeme en fonction des variationsde la charge et de la production en prenant en compte du systeme de stockage etde delestage. Pour chaque point aborde, des etudes en simulation sont fournies pourmontrer l’efficacite des approches proposees.

Abstract

The objective of this thesis is to optimize the production of renewable electricity forsmall isolated network. A system using two renewable sources : solar and wind power,is studied in order to improve the efficiency of energy extracted. For the photovoltaicconversion system, a maximum power point tracking controller is designed using directsearching approach (method Perturbe & Observe) combined with fuzzy logic, takinginto account the direction of perturbation. This combination can avoid the disadvan-tages of the method Perturbe & Observe, and not requires any information about thegenerator’s characteristics or climate conditions. Similarly, for the variable speed windturbine using permanent magnet synchronous generator, a controller to track the maxi-mum power point, based on the same principle with photovoltaic conversion system, isproposed. This approach has the advantage of using a voltage sensor instead of a speedsensor, this presents a particular interest for stand-alone system comparing to othersolutions. Finally, for the realization of hybrid generation system, a fuzzy supervisoris adapted to obtain an optimal behavior of the system according to the variationsof load demand and extracted power, taking into account the storage and dissipationsystem. For each issue, simulation studies are provided to show the effectiveness of theproposed approaches.

Table des matieres

Introduction generale 3

1 Contexte et problematique 7

I. Sources d’energie renouvelable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1. Source hydraulique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2. Source eolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

3. Source marine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

4. Source photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

5. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

II. Utilisation de l’energie renouvelable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1. Systemes raccordes au reseau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2. Systemes autonomes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

3. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

III. Systeme de production d’electricite eolienne . . . . . . . . . . . . . . . 14

1. Conversion cinetique - mecanique . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2. Conversion mecanique - electrique . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.1. Generateur asynchrone . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.2. Generateur asynchrone a double alimentation . . . . . 16

2.3. Generateur synchrone a rotor bobine . . . . . . . . . . 17

2.4. Generateur synchrone a aimant permanent . . . . . . . 18

2.5. Choix du generateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.6. Vitesses fixe et/ou variable . . . . . . . . . . . . . . . 19

3. Commande des eoliennes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

IV. Systeme de production d’electricite photovoltaıque . . . . . . . . . . . . 22

1. Principe de la conversion photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . 22

2. Proprietes d’un generateur photovoltaıque . . . . . . . . . . . . 24

3. Structure d’un systeme photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . 25

4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

V. L’electrification des sites isoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

vi TABLE DES MATIERES

1. Classement des systemes isoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2. Configuration d’un systeme isole . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.1. Architecture a bus CC . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.2. Architecture mixte a bus a courant continu/alternatif . 29

3. Systemes de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

4. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

VI. Objectif de these . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2 L’optimisation de la production de l’energie solaire 33

I. Modelisation d’un generateur photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . 34

II. Poursuite du PPM pour un panneau photovoltaıque . . . . . . . . . . . 36

1. Principe de la poursuite du PPM . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2. Synthese des commandes MPPT des systemes photovoltaıques . 37

2.1. Methodes indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

2.2. Methodes directes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

III. Utilisation d’un controleur flou . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

IV. Controleur propose pour la poursuite de PPM . . . . . . . . . . . . . . 41

1. Introduction de la methode proposee . . . . . . . . . . . . . . . 41

2. Choix des elements du controleur flou . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.1. Fuzzification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

2.2. Moteur d’inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3. Defuzzification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

V. Simulation et resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

VI. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3 L’optimisation de la production de l’energie eolienne 53

I. Modelisation de la chaine de production d’electricite eolienne . . . . . . 54

1. Aerodynamique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

2. Coefficient de puissance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3. Generateur synchrone a aimant permanent . . . . . . . . . . . . 58

4. Pont redresseur de diodes triphase . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

5. Hacheur elevateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

II. La poursuite du PPM d’une eolienne couplee a un GSAP . . . . . . . . 64

1. Principe de la poursuite du PPM d’une petite eolienne coupleea un GSAP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

2. Synthese des commandes MPPT des eoliennes . . . . . . . . . . 65

TABLE DES MATIERES vii

2.1. Methodes indirectes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

2.2. Methodes directes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

III. Controleur flou de la poursuite du point de puissance maximale dusysteme eolien propose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

1. Introduction de la methode proposee . . . . . . . . . . . . . . . 67

2. Choix des elements du controleur flou . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.1. Fuzzification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.2. Moteur d’inference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

2.3. Defuzzification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

IV. Simulation et resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

V. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73

4 L’optimisation de l’electrification d’un site isole 75

I. L’electrification d’un site isole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76

II. Superviseur pour la gestion de l’energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

III. Modelisation du systeme isole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

1. Systeme photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

2. Systeme eolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

3. Systeme de stockage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4. Onduleur MLI de tension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

IV. Simulation et resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

1. Conditions initiales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2. Resultats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

V. Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Conclusion et perspectives 97

Liste des publications 99

Liste des figures

1.1 Repartition de la production d’electricite - 2010 [Observ, 2011] . . . . . 7

1.2 Taux de croissance annuel moyen 2000-2010 [Observ, 2011] . . . . . . . 8

1.3 Structure de la production electrique d’origine renouvelable - 2010[Observ, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.4 Une centrale hydraulique [Lavy, 2011] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.5 Parc eolien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.6 Energie de la mer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.7 Source photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

1.8 Principe de la conversion d’energie d’une eolienne . . . . . . . . . . . . 14

1.9 Turbines eoliennes a axe horizontal et a axe vertical . . . . . . . . . . . 15

1.10 Generateur asynchrone a cage d’ecureuil . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

1.11 Generateur asynchrone a double alimentation . . . . . . . . . . . . . . 17

1.12 Generateur synchrone (a rotor bobine ou a aimant permanent) . . . . . 17

1.13 Les systemes de commande d’une eolienne . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.14 Cellule elementaire photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

1.15 Caracteristique I-V d’une cellule photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . 23

1.16 Influence de l’ensoleillement et de la temperature sur les caracteristiquesde la cellule photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.17 Construction d’un panneau photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . . . 24

1.18 Ensemble de modules compose d’un panneau PV . . . . . . . . . . . . 25

1.19 Connexion directe d’un panneau photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . 25

1.20 Connexion via un dispositif d’adaptation . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.21 Architecture a bus a courant continu d’un systeme isole . . . . . . . . . 29

1.22 Architecture a bus a courant continu d’un systeme isole . . . . . . . . . 30

1.23 Cellule electrochimique de base . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.1 Structure d’un systeme de production d’energie photovoltaıque . . . . . 33

2.2 Panneau PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.3 Modele a une diode d’une cellule PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.4 La courbe caracteristique V-I du module photovoltaıque utilise . . . . . 35

2.5 La courbe caracteristique V-P du module photovoltaıque utilise . . . . 36

x LISTE DES FIGURES

2.6 Fonctionnement d’un panneau photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . . 36

2.7 Principe de MPPT d’un panneau photovoltaıque . . . . . . . . . . . . . 37

2.8 Principe du methode P&O . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.9 Fonctionnement du methode P&O sous l’evolution rapide de l’ensoleille-ment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

2.10 Controleur de la poursuite de PPM d’un panneau photovoltaıque propose 42

2.11 Fonction d’appartenance des entrees ”dP/dV ” et ”d2P/dV 2” . . . . . . 43

2.12 Simulation dans Simulink Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

2.13 Controleur flou de poursuite du PPM dans Simulink Matlab . . . . . . 46

2.14 Modele du panneau photovoltaıque sous Simulink Matlab . . . . . . . . 46

2.15 Modele du generateur photovoltaıque sous Simulink Matlab . . . . . . . 46

2.16 Les courbes caracteristiques V-I et V-P du panneau utilise . . . . . . . 47

2.17 L’ensoleillement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.18 Puissance du panneau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

2.19 Courant et tension du panneau . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

2.20 Rapport cyclique D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.1 Structure d’un systeme eolienne a vitesse variable . . . . . . . . . . . . 53

3.2 Tube de courant autour d’une eolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.3 Coefficient pour plusieurs types des eoliennes [Ackermann, 2006] . . . . 56

3.4 Caracteristique Cp(λ) pour plusieurs valeurs de β . . . . . . . . . . . . 57

3.5 Puissance mecanique en fonction de la vitesse . . . . . . . . . . . . . . 57

3.6 Transformee de Park . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.7 Pont redresseur de diode triphase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.8 Tension redressee . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.9 Convertisseur elevateur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.10 Tension et courant de l’inductance Le . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.11 Tension et courant de Cs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.12 Chaine de production d’eolienne etudiee . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.13 Methode de poursuite du PPM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

3.14 Controleur flou de la poursuite de PPM propose . . . . . . . . . . . . . 68

3.15 Simulation dans Simulink Matlab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.16 Controleur flou de poursuit du PPM dans Simulink Matlab . . . . . . . 70

3.17 Emulateur de la turbine eolienne dans Simulink Matlab . . . . . . . . . 70

3.18 Les courbes caracteristiques Pm(ω) pour differentes vitesse de vent . . . 71

3.19 La variation de la vitesse de vent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

LISTE DES FIGURES xi

3.20 Puissance de l’eolienne . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

3.21 Vitesse de rotor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72


4.1 Structure d’un systeme isole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.2 Structure du systeme de production d’energie propose . . . . . . . . . . 78

4.3 Fonctions d’appartenance des entrees ”DeltaP” et ”SOC” . . . . . . . 79

4.4 Fonctions d’appartenance des sorties ”D3” . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.5 Modelisation de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.6 Caracteristique de decharge de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.7 Zone d’hysteresis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.8 Schema d’un onduleur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.9 La modulation de largeur d’impulsions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.10 Modele de simulation dans Simulink Matlab . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.11 Les courbes caracteristiques V-I et V-P du panneau utilise . . . . . . . 86

4.12 Les courbes caracteristiques Pm(ω) pour differentes vitesses de vent . . 87

4.13 Variations de la vitesse du vent, de l’ensoleillement et de la charge . . . 88

4.14 Tension du panneau PV et rapport cyclique D1 . . . . . . . . . . . . . 89

4.15 Zoom sur tension du panneau PV . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.16 Puissance du panneau PV et les zooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.17 Vitesses du rotor et rapport cyclique D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.18 Zoom sur la vitesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.19 Puissance de l’eolienne et les zooms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92


4.21 Interrupteur S1 et puissance de la batterie . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.22 Interrupteur S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.23 Puissance renouvelable, puissance de la batterie et puissance demandee 94

4.24 Tension fournie a la charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

4.25 Tension fournie a la charge en zoom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Liste des tableaux

2.1 Regles de direction de la poursuite du PPM d’un panneau photovoltaıque 42

2.2 Regles de ∆D1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.3 Parametres du panneau PV utilise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.1 Regles de ∆D2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

3.2 Parametres du GSAP utilise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

4.1 Regles de D3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.2 Regles de S1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.3 Regles de S2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

4.4 Parametres du panneau PV utilise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.5 Parametres du GSAP utilise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.6 Parametres de la batterie utilise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

Acronymes

CA courant alternatifCC courant continuGADA generateur asynchrone a double alimentationGSAP generateur a aimant permanentMLI modulation de largeur d’impulsionMPPT poursuite du point de puissance maximalePPM point de puissance maximalePV photovoltaıqueP&O perturbe and observeSOC l’etat de charge (state-of-charge en anglais)

Introduction generale

Depuis quelques annees, le contexte environnemental et/ou ecologique devient unedonnee importante voire preponderante. En effet, le cout des energies ainsi que lespollutions diverses qui resultent de leurs utilisations doivent etre pris en compte ade nombreux niveaux. De plus, ces dernieres annees, la demande mondiale d’energieaugmente de plus en plus, et la rarefaction des sources d’energie fossile dans un avenirproche est previsible. Le contexte energetique actuel, caracterise par l’appauvrissementdes reserves d’energie fossile, le rechauffement de la planete en partie du a l’emissionde gaz a effet de serre et le concept de developpement durable, nous pousse a trou-ver des solutions energetiques alternatives. Un recours systematique aux carburantsfossiles permet d’avoir des couts de production relativement ”faibles” mais conduita un degagement massif de gaz polluants. Ainsi, la production d’energie electrique apartir de combustibles fossiles prend une part important des emissions mondiales demonoxyde de carbone.

Beaucoup plus accessibles et tres adaptees a la production decentralisee, les energiesrenouvelables offrent la possibilite de produire de l’electricite proprement et surtoutdans une moindre dependance des ressources, a condition d’accepter leurs fluctuationsnaturelles et parfois aleatoires. De plus, ils permettent de contribuer a la reduction desrejets de gaz. La litterature montre que le cout des sources d’energie renouvelable n’estpas forcement competitif par rapport aux sources d’energie fossile, mais la necessited’une energie plus propre a suscite la multiplication d’applications dans le domaine del’utilisation des energies renouvelables. Dans le futur, avec le progres de la science, ilsdeviendront de plus en plus competitifs en termes de technologie et de couts de pro-duction et cette solution permet l’exploitation des ressources locales pour les systemesautonomes.

Toutes les energies renouvelables (solaire, eolienne hydraulique, biomasse...)viennent du soleil transformees ensuite par l’environnement terrestre. Ainsi, les energiessolaire et eolienne sont les plus developpees et presentent de nombreux avantages. Eneffet, ce sont des energies completement propres, elles n’emettent ni dechets ni gaza effet de serre. Leurs fonctionnements ne polluent ni l’atmosphere ni le sol ni l’eauet, convertissent en electricite une ressource abondante, gratuite et illimitee a l’echellehumaine.

Cependant, il faut distinguer plusieurs problemes en fonction des sites et des uti-lisations de l’energie renouvelable. La disponibilite intermittente de telles ressourcesentraine le probleme de stockage et de bon dimensionnement pour diminuer le coutd’investissement mais encore assurer la demande du consommateur. Elle pose aussi leprobleme de couplage entre plusieurs sources pour compenser l’une a l’autre. La qua-lite de l’electricite par ces sources qu’on peut injecter dans le reseau global presenteegalement une problematique a traiter.

4 INTRODUCTION GENERALE

Une des applications interessantes de l’energie renouvelable est l’electrification desregions eloignees, situees loin de centrales electriques, ou des reseaux de distribution nesont pas rentables a installer. Dans ce cas, une approche pratique pour la productiond’energie est d’utiliser un systeme hybride compose de plusieurs sources renouvelableset un systeme de stockage afin de creer une installation autonome. Un tel systemepermet une meilleure stabilite et une autonomie plus grande.

De nombreux projets actuels (refuge de haute montagne autonome en energie duGouter au Mont Blanc [Refugedugouter, 2012] par exemple) nous montrent un reelpotentiel de developpement. De nombreux travaux de recherche sur l’electrification dessites isoles a partir de ces deux sources ont ete menes. Les fluctuations de la consom-mation selon les periodes annuelles ou journalieres ne sont pas forcement correlees avecles ressources sont un probleme a resoudre. La dynamique des generateurs d’energie re-nouvelable peut aussi causer des problemes dans le fonctionnement des systemes isoles.Des changements rapides dans la production d’energie peuvent generer des problemesde qualite d’energie (variations de tension et de frequence) et meme l’arret completdu systeme. Des recherches sont aussi menees sur les techniques de commande pourextraire l’energie avec un haut rendement. Grace a ces travaux, on peut extraire lapuissance maximale dans toutes les conditions naturelles et d’exploitation. On peutassurer aussi la stabilite et le bon fonctionnement du systeme. Neanmoins, il reste en-core a introduire plus d’adaptation et de flexibilite dans le fonctionnement du systeme.Pour cela, on sera amene a utiliser de plus en plus les intelligences artificielles (logiquefloue, algorithme genetique, reseau de neurone...).

Dans les systemes autonomes, le moyen de stockage d’energie presente un pointtres important et primordial. L’utilisation de sources d’energie renouvelable induit leconcept de stockage d’electricite en raison de la disponibilite intermittente de tellesressources. Les sites geographiquement isoles et non raccordes au reseau sont doncalimentes par un systeme de sources renouvelables (champ photovoltaıque, eolienne...)et un systeme de stockage pour assurer la continuite de la production lorsque l’energierenouvelable recuperee ne suffit pas. Le type de stockage generalement utilise dans cessystemes est la batterie au plomb. La maturite dont cette technologie fait preuve et sonfaible cout en sont les raisons principales. Pourtant, un des points le plus critique est ladegradation des batteries ou leur vieillissement premature. La duree de vie de la batteriedepend du nombre de sa cycle charge/decharge. De plus, une recharge excessive ouune decharge profonde peuvent endommager fortement la batterie. Donc une strategied’utilisation adequate du systeme des batteries de stockage est indispensable pour lefonctionnement d’un site isole.

Ainsi l’objectif principal de nos travaux de these est d’optimiser la production del’electricite pour un site isole a partir de deux sources renouvelables : eolienne et pho-tovoltaıque. Pour l’optimisation, nous allons ameliorer le rendement energetique del’energie extraite en controlant automatiquement les systemes electriques, qui n’ontbesoin que de tres peu d’entretien et fonctionnent bien sous les changements des condi-tions meteorologiques. Nous prendrons en compte aussi la gestion de l’energie, en pro-posant un schema d’exploitation flexible de ces sources, ce qui aurait pour consequencede prolonger la duree de vie des dispositifs.

Pour ce faire, le memoire est organise en cinq chapitres. Le premier chapitre aborde

INTRODUCTION GENERALE 5

l’etude sous une forme assez descriptive. En effet, nous decrirons le contexte de laproduction de l’energie electrique des sources renouvelables. Ensuite, a travers desrevues de la litterature disponible, nous dresserons un etat de l’art des differentestechnologies photovoltaıques et eoliennes. Nous presenterons egalement les differentesnotions et techniques de la commande par logique floue qui sont des connaissancesnecessaires a la bonne comprehension de ce memoire. Le but etant qu’a la fin de cechapitre, le cadre de l’etude soit clairement identifie.

Dans le deuxieme chapitre, nous allons etudier l’optimisation de la productionde l’electricite a partir de l’energie solaire. Tout d’abord, nous expliquons bien desphenomenes des generateurs photovoltaıques et la modelisation du champ photo-voltaıque. Apres avoir des connaissances de base, nous parlons des methodes de lapoursuite du point de puissance maximale des panneaux photovoltaıques qui existentdans la litterature. Une strategie de commande utilisant la methode directe sera pro-posee afin de repondre aux objectifs definis c’est-a-dire une commande robuste doncaugmentant la fiabilite, ameliorant le rendement energetique, quelques soient les condi-tions climatiques et leurs variations, et tout cela, en limitant l’oscillation de la sortie.Cette loi a pu etre validee par simulation en utilisant Simulink Matlab.

Dans le troisieme chapitre, nous parlons de l’optimisation de la production del’electricite a partir de l’energie eolienne. Nous etudions en particulier le generateur leplus utilise dans les petites eoliennes des sites isoles, le generateur synchrone a aimantpermanent. Ainsi nous parlons de la modelisation des systemes electriques necessairespour une eolienne de vitesse variable couplee a un generateur synchrone a aimantpermanent, mais aussi le probleme de l’optimisation du rendement energetique deseoliennes. Les resultats de simulation sont egalement presentes pour montrer l’effica-cite de notre controleur.

Dans le quatrieme chapitre, nous nous interesserons a l’optimisation de la produc-tion et la gestion de l’energie des sites isoles. Ensuite, nous passons au stockage del’electricite par batteries et son role dans la production de l’electricite des sites auto-nomes. Enfin, nous etudions le fonctionnement des trois parties ensemble pour assurerla stabilite et la surete du fonctionnement. L’objectif fondamental des reseaux auto-nomes est de fournir aux clients de l’energie electrique avec une parfaite continuite,sous forme de tensions parfaitement sinusoıdales, avec des valeurs d’amplitude et defrequence preetablies. Nous analyserons donc les differentes conditions climatiques etd’exploitation pour prouver que nos controleurs proposes fonctionnent bien.

Enfin, les principales conclusions de ce travail de recherche et les perspectives quien resultent sont donnees dans les conclusions generales.

Chapitre 1

Contexte et problematique

De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’energie est assuree apartir de sources fossiles. La consommation de ces sources donne lieu a des emissionsde gaz a effet de serre et donc une augmentation de la pollution. L’exploitation desenergies renouvelables est une solution indispensable. On peut prevoir que tout systemeenergetique durable dans le futur sera base sur l’utilisation de ces sources.

En 2010, la production d’electricite mondiale provenant des sources d’energiesrenouvelables a atteint 20,2% de la production totale. Cette partie est nettementinferieure a la production issue des combustibles fossiles (67,2%) mais reste neanmoinssuperieure a la part de la production d’origine nucleaire (13,0%) (figures 1.1).

Figure 1.1 – Repartition de la production d’electricite - 2010 [Observ, 2011]

L’apport des nouveaux systemes de production d’energies renouvelables a ete decisifpour freiner l’augmentation de la part des sources conventionnelles dans le total mon-dial, et ainsi reduire la production des gaz a effet de serre. Sur la periode 2000-2010, lacroissance de la production des filieres renouvelables hors hydraulique a ete cinq foisplus rapide que celle de l’hydraulique (12,5% contre 2,5%).

Une analyse detaillee filiere par filiere montre que c’est la production d’electricitesolaire qui affiche le plus fort taux de croissance annuelle sur la periode (+ 38,1%). Surla meme periode, la croissance de la filiere eolienne est egalement tres importante (+27,1% par an en moyenne). La croissance de la filiere biomasse est plus moderee (+7%), mais reste plus de deux fois superieure a celle de la production d’electricite totale.Cette croissance est restee tres active entre 2009 et 2010 (+ 6,5%), dans un contextede forte croissance de la production d’electricite.

Compte tenu de la dynamique actuelle des filieres eolienne, solaire et biomasse, lacroissance de la production d’electricite renouvelable devrait rester soutenue dans lesprochaines annees et sa part dans la production mondiale devrait continuer a augmen-ter.

8 CONTEXTE ET PROBLEMATIQUE

Figure 1.2 – Taux de croissance annuel moyen 2000-2010 [Observ, 2011]

Apres un bref bilan des ressources energetiques exploitables, on se concentrera en-suite sur les systemes de production eolienne et photovoltaıque, qui sont les premieressources d’energie renouvelable dans un proche avenir. Dans le cadre de cette these,nous ne nous interessons qu’a l’utilisation de ces sources pour l’electrification des sitesisoles. La production d’electricite decentralisee par sources d’energie renouvelable nousoffre une solution prometteuse pour des consommateurs autonomes en respectant l’en-vironnement. Enfin, nous finirons ce chapitre en precisant la problematique que nousavons definie dans cette these qui est l’optimisation de la production de l’electricitepour sites isoles en utilisant la logique floue.

I. Sources d’energie renouvelable

Au niveau mondial, l’energie renouvelable provient de six sources distinctes. L’hy-droelectricite est la principale avec une contribution de 82,9%. La biomasse est laseconde source avec 6,3%. Viennent ensuite la filiere eolienne (8,3%), la geothermie(1,6%), le solaire qui regroupe les centrales photovoltaıques et thermiques (0,2%), etenfin les energies marines (0,01%) (figure 1.3).

Figure 1.3 – Structure de la production electrique d’origine renouvelable - 2010[Observ, 2011]

Dans cette section, nous ne prenons pas en compte les sources energetiques sousforme de chaleur, l’electricite etant produite par un systeme thermodynamique avec

Sources d’energie renouvelable 9

l’aide d’un fluide coulant (source biomasse, source geothermie et source solaire ther-mique).

Ensuite, nous presentons une autre famille ou l’energie produite l’est directementsous la forme electrique.

1. Source hydraulique

L’hydroelectricite, c’est-a-dire la production d’electricite a partir de la force del’eau, est apparue depuis longtemps dans la continuite des moulins qui exploitaientdirectement la force motrice de l’eau. Les sites de petites puissances (inferieures a 10kW) sont des solutions tres prisees pour des petits reseaux isoles. Une forte stabilite dela source ainsi que les dimensions reduites de ces sites de production sont des grandsavantages. Les petites centrales hydrauliques appartiennent souvent a des producteursindependants [Paish, 2002].

Figure 1.4 – Une centrale hydraulique [Lavy, 2011]

L’hydroelectricite de petite puissance est avant tout une energie renouvelablerepondant aux trois criteres fixes dans la definition generalement admise pour lesenergies renouvelables : perennite des ressources, respect de l’environnement (moyen-nant certaines precautions), possibilite de production delocalisee (contribue a une cer-taine independance energetique).

Le principal avantage energetique et environnemental de cette energie est qu’ellen’est pas intermittente, contrairement a l’energie solaire ou eolienne. La productionhydraulique varie bien entendu suivant des cycles saisonniers, les cours d’eau pouvantetre diminues l’ete ou au contraire renforces par la fonte de glaciers. Il est important denoter qu’il est plus facile de prevoir a l’avance les debits des cours d’eau que les ventscar on installe en general un bassin de retenue qui permet d’avoir un debit regulier[Salhi et al., 2010]


2. Source eolienne

Parmi toutes les energies renouvelables contribuant a la production d’electricite,c’est l’energie eolienne qui a ete exploitee en premier. Pourtant, la production eoliennepose des problemes difficiles de stabilisation des reseaux a cause des fluctuations natu-relles et difficilement previsibles [Stiebler, 2008].

Figure 1.5 – Parc eolien

La ressource eolienne vient du deplacement des masses d’air. Le rechauffement decertaines zones de la planete et le refroidissement d’autres creent une difference depression et ainsi le deplacement des masses d’air. Le vent ainsi cree permet de fairetourner des pales d’une eolienne qui entrainent une generatrice comme energie primaire.Les technologies utilises pour la production eolienne seront developpees dans la suitede ce chapitre.

3. Source marine

L’energie des vagues est encore une fois une forme particuliere de l’energie solaire.Le soleil chauffe inegalement les differentes couches atmospheriques ce qui entraıne desvents eux-memes responsables par frottement des mouvements qui animent la surfacede la mer (courants, houle, vagues). Les vagues creees par le vent a la surface desmers et des oceans transportent de l’energie. Lorsqu’elles arrivent sur un obstacle ellescedent une partie de cette energie qui peut etre transformee en courant electrique[Blunden and Bahaj, 2007].

Une autre facon de recuperer de l’energie marine est la production grace a la maree(usine maremotrice de la Rance par exemple) due a l’action de la lune sur les eaux.Les barrages ou des hydroliennes installes dans les endroits fortement touches parce phenomene peuvent etre une source d’une energie substantielle. Enfin, une autre

Sources d’energie renouvelable 11

Figure 1.6 – Energie de la mer

technologie, utilisant les courants sous-marins, a partir de turbines immergees, esten phase d’experimentation. L’energie en provenance du mouvement des eaux de lamer est une energie tres difficilement recuperable bien qu’elle represente un poten-tiel immense. Les investissements sont tres lourds dans un environnement hostile etimprevisible. Cette energie est a exploiter dans l’avenir et ne represente qu’une toutepetite quantite de l’energie produite a ce jour par rapport aux autres ressources ex-ploitees [O Rourke et al., 2010].

4. Source photovoltaıque

L’energie photovoltaıque est obtenue directement a partir du rayonnement du soleil.Les panneaux photovoltaıques composes des cellules photovoltaıques ont la capacite detransformer directement la lumiere solaire en energie electrique qui peut etre exploiteedirectement apres un etage d’adaptation. En raison des caracteristiques electriques for-tement non lineaires des cellules et de leurs associations, le rendement des systemesphotovoltaıques peut etre augmente par les solutions utilisant les techniques de pour-suite du point de puissance maximale [Esram and Chapman, 2007].

Figure 1.7 – Source photovoltaıque


Par ailleurs, la reduction des prix d’installation et l’amelioration du rendement, ontpermis le developpement de ce type d’installation soit en complement a l’energie recuedu reseau (pour reduire les depenses energetiques), soit pour alimenter des sites isolesdont la consommation energetique reste raisonnable [Hohm and Ropp, 2003].

5. Conclusion

Dans cette section, nous avons brievement presente l’interet des energies renouve-lables pour reduire les gaz a effet de serre et en consequence diminuer l’echauffementde la planete. Quatre sources d’energie renouvelable, qui produisent directementl’electricite, sont ainsi presentees. Parmi ces sources renouvelables, l’energie solaireet l’energie eolienne ont connu des progres immenses et deviendront des sources renou-velables prometteuses dans l’avenir. De plus, les technologies actuelles sont connues,fiables et de maintenance relativement facile.

C’est donc ces deux technologies que nous avons decide d’etudier dans cette these.Notre but est de contribuer au developpement et a l’optimisation d’une installationutilisant ces deux sources pour l’electrification d’un site isole. Dans les sections sui-vantes, on va detailler les concepts de ces deux sources, puis definir la problematiquede cette these.

II. Utilisation de l’energie renouvelable

Depuis quelques annees, il n’est plus necessaire d’installer les systemes de produc-tion d’energie renouvelable precisement sur le lieu d’utilisation de l’energie. Ils sontmaintenant utilises pour generer de l’energie electrique qui est transferee par un reseauelectrique sur une distance plus ou moins grande vers les utilisateurs. Pourtant, lessystemes d’energie renouvelable individuels qui fournissent de l’electricite a de petitescommunautes sont assez repandus. Ils sont adaptes aux endroits dont la connexion aureseau n’est pas rentable, ou meme impossible. On presentera le principe de ces deuxapplications principales de l’energie renouvelable, notamment pour des eoliennes et despanneaux photovoltaıques.

1. Systemes raccordes au reseau

Dans le domaine eolien, l’installation d’une ou quelques turbines eoliennes par desclients prives ou industriels est le premier champ d’application. L’installation distribueede turbines eoliennes est faite presque exclusivement en connexion avec le reseau global.La consommation du client est enregistree par un compteur et la puissance produite parl’eolienne est injectee au reseau public et comptabilisee a travers un autre compteur.La facturation est faite separement, selon la consommation et la production d’energie[Hau, 2006].

Meme en prenant en compte les plus grandes turbines eoliennes actuelles, d’unepuissance nominale de quelques megawatt, la puissance delivree par une seule turbine

Utilisation de l’energie renouvelable 13

reste une quantite petite par rapport a celle d’une centrale conventionnelle. Par ailleurs,dans la majorite des pays, les zones proposant des vitesses de vent techniquement uti-lisables sont restreintes a quelques regions seulement. Ceci necessite l’assemblage dansces lieux d’autant d’eoliennes que possible, independamment de la demande energetiquelocale. De cette facon, apparaissent les parcs ou fermes eoliennes, qui consistent en uneconcentration de nombreuses eoliennes en groupes organises dans l’espace considereet inter-connectees. Ce groupement offre de nombreux avantages techniques. De plus,d’un point de vue economique, il est plus interessant en termes de cout d’installationet de raccordement au reseau [Tsili and Papathanassiou, 2009].

Pour l’energie photovoltaıque, son utilisation est tres repandue dans les batiments.La plupart des batiments sont raccordes au reseau electrique, l’electricite est disponibleen permanence a un niveau de puissance choisi par le consommateur. L’installation d’unsysteme d’energie renouvelable peut ameliorer le bilan energetique du proprietaire. Lebilan sert souvent a reduire la consommation afin de faire des economies d’energie dubatiment. Celui-ci devient actif et produit de l’energie [Luque and Hegedus, 2010].

2. Systemes autonomes

De plus en plus d’applications ne peuvent pas etre reliees au reseau a cause dela complexite de la connexion a celui-ci ou du cout d’installation. Pour autant, il estsouvent indispensable d’avoir acces a l’electricite afin d’assurer quelques services de basecomme l’eclairage ou l’alimentation d’un dispositif electrique. Ces sites peuvent alorsetres alimentes en electricite par l’energie renouvelable [Luque and Hegedus, 2010].

Durant les dernieres annees, d’importants efforts ont ete effectues pour l’utilisa-tion de l’energie renouvelable dans des systemes de puissance locaux et regionaux atravers l’integration de systemes de distribution de petite et moyenne tailles. De nom-breux travaux sur le developpement des systemes eoliens autant que photovoltaıquespour les sites isoles ont ete realises [Stiebler, 2008], [M. Dali and Roboam, 2008],[Kalantar and Mousavi, 2010], [Bopp et al., 1998].

De ce fait, les applications autonomes sont classees en deux familles :

- Applications ”professionnelles” : relais de telecommunication, signalisationroutiere, bornes de secours autoroutieres, horodateurs de stationnement...

- Applications pour des sites isoles : habitat loin du reseau, refuges...

Pour les systemes isoles, l’objectif est d’obtenir un equilibre de la productionenergetique en reglant la tension et la frequence. Pour obtenir une tension a une am-plitude et une frequence stables, diverses methodes sont utilisees, comme les conden-sateurs synchrones, des groupes de batteries controlables, mecanismes de stockage, desconvertisseurs de puissance et des systemes de commande [Nema et al., 2009].

3. Conclusion

Aujourd’hui, les systemes individuels qui fournissent de l’electricite a des petitescommunautes sont de plus en plus nombreux. La tendance actuelle est de developper


des systemes commandes de plus en plus efficaces, utilisant des structures de conversionelectronique pour augmenter le rendement d’exploitation. Dans ce contexte, l’apportenvisage de notre these est de contribuer a la conception d’un systeme de productionhybride eolienne/photovoltaıque pour des sites isoles de faible puissance (moins de 10kW) ou l’expansion du reseau est difficile ou trop couteuse.

III. Systeme de production d’electricite eolienne

Un systeme de production d’electricite eolienne, quelque soit sa technologie, conver-tit l’energie cinetique du vent en energie electrique fournie a la charge ou au reseau.Cette conversion se fait en deux etapes :

- la conversion de l’energie cinetique en energie mecanique au niveau de la turbine,

- la conversion de l’energie mecanique en energie electrique au niveau du generateur.

Figure 1.8 – Principe de la conversion d’energie d’une eolienne

1. Conversion cinetique - mecanique

Une eolienne est une machine qui transforme l’energie cinetique du vent en energieelectrique ou mecanique. Les solutions techniques permettant de recueillir l’energie duvent sont tres variees. Elles exploitent donc la difference de pression qui creent uneforce de portance pour mettre en rotation la turbine et ainsi extraire une partie del’energie cinetique du vent. Il existe differentes facons de classer les turbines eoliennesmais celles-ci appartiennent principalement a deux groupes selon l’orientation de leuraxe de rotation : les eoliennes a axe vertical et celles a axe horizontal [Hau, 2006].

Une turbine a axe de rotation horizontal demeure face au vent. Elle est fixee au som-met d’une tour, permet de capter une quantite plus importante d’energie eolienne. Laplupart des eoliennes installees sont a axe horizontal. Ce choix presente plusieurs avan-tages, comme la faible vitesse d’amorcage et un coefficient de puissance relativementeleve.

Selon son nombre de pales, une turbine eolienne a axe horizontal est dite mono-pale, bipale, tripale ou multi-pales. Une eolienne mono-pale est moins couteuse car

Systeme de production d’electricite eolienne 15

Figure 1.9 – Turbines eoliennes a axe horizontal et a axe vertical

les materiaux sont en moindre quantite et les pertes aerodynamiques par poussee sontminimales. Cependant, un contrepoids est necessaire et ce type d’eolienne n’est pas tresutilise a cause de cela. Tout comme les rotors mono-pales, les rotors bipales doiventetre munis d’un rotor basculant pour eviter que l’eolienne ne recoive des chocs tropforts chaque fois qu’une pale de rotor passe devant la tour. Donc, pratiquement toutesles turbines eoliennes installees sont du type tripale. Celles-ci sont plus stables car lacharge aerodynamique est relativement uniforme et elles presentent le coefficient depuissance le plus eleve actuellement [Stiebler, 2008].

Les pales de l’eolienne balaient le champ des vitesses du vent qui varie dans le tempset autour du disque rotorique, modifiant ainsi localement la pression et la vitesse del’air. A partir de l’energie cinetique des particules de la masse d’air en mouvementpassant par la section de la surface active de la voilure, on peut calculer la puissancede la masse d’air qui traverse la surface equivalente a la surface active de l’eolienne.

Il parait evident que plus la partie de l’energie cinetique du vent captee par l’eolienneest grande, plus petite sera la vitesse du vent sortant par le cote gauche de l’eolienne.Si nous tentions d’extraire toute l’energie contenue dans le vent, l’air continuerait sonchemin a une vitesse nulle, ce qui est en realite signifierait qu’il n’arriverait pas aabandonner le rotor.

Le ratio entre la puissance extraite du vent et la puissance totale theoriquement dis-ponible presente un maximum defini par la limite de Betz. Elle stipule qu’une eoliennene pourra jamais convertir en energie mecanique plus de 16/27 (ou 59%) de l’energiecinetique contenue dans le vent. Cette limite n’est en realite jamais atteinte et chaqueeolienne est definie par son propre coefficient de puissance. Plus de details seront donnesdans chapitre 3 de cette these.

2. Conversion mecanique - electrique

Il existe plusieurs types de machines electriques qui peuvent jouer le role degeneratrice dans un systeme eolien qui demande des caracteristiques tres specifiques.Le cahier des charges pour une generatrice eolienne varie selon le type et les dimensionsgeometriques de la voilure. Des facteurs techniques et economiques fixent le type demachine pour chaque application. Pour les petites puissances (< 20kW ), la simplicite


et le cout reduit des generateurs synchrones a aimants permanents expliquent leurpredominance. Dans les applications de plus forte puissance, jusqu’a 2MW environ, legenerateur asynchrone est plus courant et economique [Stiebler, 2008].

2.1. Generateur asynchrone

Le generateur asynchrone a cage d’ecureuil est largement utilise dans les turbineseoliennes de moyenne et grande puissances en raison de sa robustesse, sa simplicitemecanique et son cout reduit. Elles ont l’avantage d’etre standardisees, fabriqueesen grande quantite et dans une tres grande echelle des puissances. Elles ont besoinde moins d’entretien et presentent un taux de defaillance tres peu eleve. Dans leseoliennes de grande puissance, la vitesse de rotation est peu elevee. Il n’est pas envisa-geable de concevoir une generatrice asynchrone lente avec un rendement correct doncil est necessaire d’utiliser un multiplicateur mecanique de vitesse entre la turbine et lamachine asynchrone. Une solution consiste a utiliser un variateur de frequence, maiscette solution est globalement couteuse [Hau, 2006].

Figure 1.10 – Generateur asynchrone a cage d’ecureuil

Son inconvenient majeur est la consommation d’un courant reactif de magnetisationau stator. La demande de puissance reactive est compensee par la connexion d’ungroupe de condensateurs en parallele avec le generateur ou par la mise en œuvre d’unconvertisseur statique de puissance [Eriksen et al., 2005].

2.2. Generateur asynchrone a double alimentation

Une des configurations en forte croissance pour les turbines eoliennes est legenerateur asynchrone a double alimentation (GADA). Le stator du generateur estdirectement couple au reseau. La double alimentation fait reference a la tension dustator prelevee au reseau et a la tension du rotor fournie par le convertisseur. A laplace du rotor a cage d’ecureuil, ces machines asynchrones ont un rotor bobine dont lereglage electronique assure la variation du glissement.

Le cablage du rotor (couplage du rotor et l’electronique de puissance associee)permet ainsi a l’ensemble de fonctionner a vitesse variable sur une plage de vitesse


qui depend du type et du dimensionnement de celui-ci. Le convertisseur compensela difference des frequences mecanique et electrique par l’injection d’un courant afrequence variable au rotor [Fernandez et al., 2008].

Figure 1.11 – Generateur asynchrone a double alimentation

Ces machines sont plus complexes que les machines asynchrones a cage d’ecureuilparce que la presence du systeme electronique de puissance et de systeme a bagueset balais demandent des commandes compliquees et des entretiens reguliers, mais lebenefice du fonctionnement a vitesse variable est un avantage suffisant pour que denombreuses eoliennes utilisent ce type de machines [Ekanayake et al., 2003].

2.3. Generateur synchrone a rotor bobine

Dans le cas des entraınements directs (sans multiplicateur mecanique), on utilisedes machines synchrones. Leurs performances sont tres interessantes lorsqu’elles ont untres grand nombre de poles. Cependant, leur frequence etant alors incompatible aveccelle du reseau, cela nous oblige a utiliser un convertisseur de frequence. C’est pourquoiles machines a entraınement direct sont toutes a vitesse variable [Hau, 2006].

Figure 1.12 – Generateur synchrone (a rotor bobine ou a aimant permanent)

Les machines synchrones a rotor bobine demandent un entretien regulier du systemedes bagues et balais. Le circuit d’excitation de l’inducteur demande la presence dureseau et une fourniture de la puissance reactive. Les sites isoles ne sont adaptes a cesgeneratrices qu’en presence d’une batterie de condensateurs ou d’une source de ten-sion independante. Par contre, la possibilite de reglage de l’inducteur de ces machinesoffre un moyen supplementaire d’ajustement du point de fonctionnement energetique.Le couplage direct sur le reseau est proscrit car etant beaucoup trop rigide. Des dis-positifs de puissance s’imposent pour toutes les applications utilisant ce type de ma-chines. Contrairement aux generatrices asynchrones a double alimentation, la chaıne deconversion placee sur le stator doit etre dimensionnee pour la totalite de la puissancedu systeme de production [Hughes, 2006].


2.4. Generateur synchrone a aimant permanent

Ces dernieres annees, avec le developpement des materiaux magnetiques, la produc-tion de machines synchrones a aimants permanents devient competitive. Les machinesde ce type sont a grand nombre de poles et permettent de developper des couplesmecaniques considerables. La caracteristique d’auto-excitation du generateur synchronea aimant permanent lui permet de fonctionner avec un facteur de puissance eleve etun bon rendement, ce qui le rend propice a l’application a des systemes de productiond’energie electrique du type eolien [Ackermann, 2006]. Dans la categorie des petitesturbines, son cout reduit et sa simplicite en font le generateur le plus employe. Cepen-dant, dans les applications de plus grande puissance, les aimants et le convertisseur(lequel doit faire transiter toute la puissance generee), en font le moins competitif.

Elles permettent de produire un courant et une tension de frequence proportionnellea la vitesse de rotation (qui varie elle-meme avec la vitesse du vent dans le cas d’uneeolienne). Ainsi, un materiel electrique concu pour fonctionner a la frequence du reseaune peut pas etre connecte directement a l’alternateur d’une eolienne. Il est necessairede passer par un convertisseur de frequence, en general, par un redresseur puis unonduleur.

Le couplage de ces machines avec l’electronique de puissance devient economique,ce qui en fait un concurrent des generatrices asynchrones a double alimentation. Lessystemes de ce type ont un taux de defaillance juge faible grace a la suppression decertaines sources de defauts : suppression du multiplicateur de vitesse et du systemede bagues et balais pour les generatrices a aimants permanents. Les frais d’entretiensont alors minimises ce qui est tres interessant dans les applications eoliennes, en par-ticulier dans les sites difficilement accessibles. La presence obligatoire de l’electroniquede puissance permet enfin une regulation simple de la vitesse de rotation et donc uneoptimisation energetique efficace [Belakehal et al., 2009].

2.5. Choix du generateur

Apres un bilan des machines electriques pour des eoliennes, les generateurs a aimantpermanent se trouvent adaptes pour une eolienne de petite puissance (< 20kW ). Ilssont plus legers que les autres types de generateurs qui utilisent un enroulement decuivre autour d’un noyau magnetique pour creer le champ magnetique et presententun bon rendement. Le principal avantage des alternateurs a aimants permanents residedans leur cout relativement faible, les aimants sont moins couteux que les bobinages encuivre dans la gamme de puissance des petites eoliennes. Il y a egalement d’autres avan-tages pour l’utilisateur, comme le freinage dynamique et la production d’un courantalternatif plutot que continu, ce qui represente des economies d’installation.

Pour des raisons de compacite et de rendement, des generatrices synchrones a ai-mants permanents apparaissent et devraient prendre une place croissante dans les pro-chaines annees. Dans le contexte de l’electrification des sites isoles, nous avons choisice type de machine pour la production de l’energie eolienne.


2.6. Vitesses fixe et/ou variable

Les systemes eoliens a vitesse fixe utilisent souvent un generateur asynchrone a caged’ecureuil. Ils fonctionnent typiquement a une frequence fixe, imposee par le reseauauquel ils sont connectes. Les principaux avantages de cette technologie sont leur ro-bustesse et leur faible cout notamment du a l’utilisation de machines standards. Lefait de travailler a frequence fixe et donc, a vitesse de rotation presque fixe, impliqueque pour chaque vitesse de vent, il y a une vitesse de rotor pour laquelle l’energiedisponible est exploitee de facon optimale. Pour les autres vitesses de vent, la cap-ture d’energie se fait de facon non-optimale. Par contre, le cout de maintenance es-sentiellement impute au multiplicateur est eleve et on ne peut pas controler l’energiereactive. Par ailleurs la connexion directe de l’enroulement statorique de la generatriceau reseau entraıne une tres forte sensibilite lors de la presence de defauts sur celui-ci[M. Dali and Roboam, 2008].

La puissance eolienne resulte de la vitesse de rotation de l’arbre mecanique del’eolienne et de la vitesse du vent. De nombreuses etudes ont montre l’interet dela vitesse variable pour les systemes eoliens sur le plan energetique, y comprisdans les petites eoliennes ou le sur-cout entraıne par la vitesse variable (du fait del’electronique de puissance et de reglages supplementaires) est compense par le surplusde production [Hong and Lee, 2010], [Mittal et al., 2009], [Wang and Chang, 2004],[Huynh et al., 2011].

Les systemes a vitesse variable utilisent des convertisseurs statiques qui permettentde transformer une tension issue du generateur a frequence et amplitude variablesen une tension de frequence et d’amplitude fixes definies par le reseau ou le systemeelectrique qu’ils alimentent. Ils presentent donc un cout d’installation plus eleve maisle fait de convertir plus d’energie leur permet de produire a des couts inferieurs[Abo-Khalil et al., 2004], [Pundaleek B. H. and G., 2010].

Pour ces raisons, nos travaux dans cette these ne se s’interessent qu’au fonctionne-ment a vitesse variable.

3. Commande des eoliennes

Il existe quatre methodes principales pour commander la puissance d’une eolienne.La commande le plus utilise pour les eoliennes de taille moyenne ou grande est lacommande de l’angle d’attaque de la pale. Il s’agit d’ajuster l’incidence du vent surles pales, ce qui modifie l’angle d’attaque et la quantite de puissance fournie a l’axede rotation de la turbine de l’eolienne (figure 1.13). Generalement, cette commande sefait en fonction de la valeur mesuree de la vitesse du vent.

Avec ce type de commande, l’angle de la pale est regle a sa valeur optimale pourles vitesses du vent entre la vitesse de seuil de demarrage de la turbine et la valeurnominale, pour obtenir ainsi le maximum de puissance du vent. Au-dela de la vitessenominale, la commande change l’angle des pales de facon a reduire le rendement durotor, la puissance en exces etant dissipee en pertes aerodynamiques [Bossanyi, 2003].

Cette approche est plutot utilisee pour les systemes a vitesse variable de moyenne


Figure 1.13 – Les systemes de commande d’une eolienne

a fortes puissances (quelques centaines de kW). Elle consiste a regler mecaniquementla position angulaire des pales sur leur axe ce qui permet de decaler dynamiquementla courbe du coefficient de puissance de la voilure.

La deuxieme approche est la regulation a angle fixe (de type passive ou active).Celle de type passive est une commande en boucle ouverte basee sur une conceptionappropriee du profil de la pale. Elle consiste a concevoir la forme des pales pour obtenirun decrochage dynamique du flux d’air des pales a fort regime de vent. Lorsque lavitesse du vent depasse la valeur nominale, le flux d’air du cote superieur de la palecommence a perdre de la vitesse, ce qui forme des vortex ; ces turbulences causent uneperte de sustentation aerodynamique de la pale et permettent la dissipation de l’excesde puissance [Ackermann, 2006]. Cette commande agit uniquement pour limiter lapuissance a des vents forts, regulant ainsi la puissance a sa valeur nominale ou plusfaible. Le fonctionnement a vents faibles reste sans aucune commande donc la puissanceobtenue depend des caracteristiques mecaniques de la turbine et des caracteristiqueselectriques de la machine.

Les turbines les plus modernes et de grande capacite peuvent combiner les avantagesdes deux commandes presentees ci-dessus, qui s’applique la regulation a angle fixede type active. Pour les vents faibles et moderes, on regle l’angle d’attaque de lapale, et pour le reglage sur la plage a puissance nominale, les pales sont orientees defacon a forcer la perte de portance, ce qui est equivalent a la regulation a angle fixe[Mathew, 2006].

Ainsi, la commande de type active permet une capture plus efficace de la puissancepar vents moderes grace a la capacite de reglage a l’angle optimal. Neanmoins, le


systeme de commande a besoin non seulement d’une sensibilite suffisante pour suivreles variations du vent mais aussi des parties mobiles pour faire l’ajustement, ce quise traduit par une complexite accrue et augmente les couts d’installation. Les palesdoivent etre construites specialement et une technologie sophistiquee est necessaire pourcela. Sans une analyse aerodynamique soignee, des problemes de vibrations peuvent sepresenter [Mathew, 2006].

La troisieme facon de limiter la puissance est la deviation de l’axe du rotor dans leplan vertical (un basculement de la nacelle) ou une deviation dans le plan horizontal(rotation autour de l’axe du mat), comme ca on positionne la turbine eolienne partiel-lement hors de la direction du vent pour les vitesses du vent elevees. Cette methodeest nommee commande d’orientation. Pour les vents trop forts, superieurs a la limitede la turbine, la position du rotor est completement perpendiculaire au vent, ce quiannule toute generation. Ainsi, la turbine n’est plus face au vent et la surface activede l’eolienne diminue [Mathew, 2006].

Ce type de commande est cependant limite aux petites turbines eoliennes car cettemethode engendre d’importants efforts mecaniques au niveau du mat et des pales. Leseoliennes de plus grande taille ne peuvent pas adopter cette methode de regulation depuissance sans provoquer des efforts pouvant endommager l’eolienne.

On a presente les trois commandes des turbines eoliennes se faisant de preferencepar les moyens mecaniques aerodynamiques. Cependant, en suivant les principes deconversion de l’energie du vent, il apparaıt une autre forme de reglage de la puissanceproduite par l’eolienne.

Cette methode permet la regulation de la puissance eolienne en faisant varier la vi-tesse de rotation par une action electrique. Par le biais de la generatrice accouplee a unechaıne de conversion statique pilotee pour gerer le transfert d’energie, la vitesse de rota-tion peut etre pilotee selon le point de fonctionnement souhaite. [Hong and Lee, 2010],[Koutroulis and Kalaitzakis, 2006].

Cette commande est tres rapide, ce qui permet de mener des changements impos-sibles a effectuer avec des systemes mecaniques. Ceci, d’une part, evite les changementsbrusques de charge au niveau du rotor, et permet d’autre part de convertir l’energiequi serait normalement perdue a cause du retard engendre par l’ajustement des paleset d’ameliorer l’efficacite energetique du systeme [Mittal et al., 2009].

Dans le cas des petites eoliennes a axe horizontal que l’on a choisi pourl’electrification des sites isoles, l’angle des pales est fixe. De plus, un systeme mecaniquesupplementaire pour regler la puissance a besoin de plus d’investissement initial, etnecessite un entretien regulier. Dans cette these, on ne se concentre que sur la com-mande du systeme electrique donc la duree de vie est elevee et le fonctionnement stable.

4. Conclusion

Dans cette section, nous avons presente un systeme de production d’energie eolienne.La conversion cinetique - mecanique au niveau de la turbine eolienne et la conversionmecanique - electrique au niveau du generateur sont aussi detaillees.


Dans la suite de cette these, on ne s’interesse qu’aux petites eoliennes couplees a ungenerateur synchrone a aimant permanent fonctionnant a vitesse variable. Ces eoliennessont tres adaptees pour l’electrification des sites isoles qui ne sont pas connectes aureseau electrique. Pour les systemes de commande, nous avons opte pour des com-mandes du systeme electrique qui necessite un tres faible entretien et des couts de miseen œuvre faibles.

IV. Systeme de production d’electricite photo-

voltaıque

L’energie photovoltaıque provient de la transformation directe d’une partie durayonnement solaire en energie electrique. Cette conversion d’energie s’effectue parle biais d’une cellule dite photovoltaıque grace a un phenomene physique appele effetphotovoltaıque qui consiste a produire une force electromotrice lorsque la surface decette cellule est exposee a la lumiere.

Les systemes photovoltaıques sont extremement fiables car relativement simples dupoint de vue technologique a mettre en œuvre : aucune piece mecanique n’est en mou-vement, les materiaux employes sont durables quelque soit les conditions climatiques,ce qui leur garantie une duree de vie relativement longue. Pourtant, le probleme du cou-plage entre un panneau photovoltaıque et une charge n’est pas encore reellement resolu.Un des verrous technologiques qui existe dans ce type de couplage est le probleme dutransfert de la puissance maximale du generateur photovoltaıque a la charge qui souffresouvent d’une mauvaise adaptation. Le point de fonctionnement qui en decoule est alorsparfois tres eloigne du point de puissance maximale.

Dans cette section, nous presentons le principe de l’energie photovoltaıque, leselements d’un systeme photovoltaıque et les differentes technologies utilisees.

1. Principe de la conversion photovoltaıque

Une cellule elementaire composee de materiaux semi-conducteurs est capable deconvertir l’energie de photons recus a sa surface en une difference de potentiel, creeepar une delocalisation d’electrons dans le materiau (figure 1.14). La circulation deselectrons dans le circuit exterieur permet a la cellule photovoltaıque de fonctionnercomme un generateur. La tension generee peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonctiondu materiau utilise et de sa disposition ainsi que de la temperature de la cellule et deson vieillissement [Pastor, 2006].

Quand la cellule est eclairee, elle produit un courant Iph approximativement pro-portionnel a l’ensoleillement. La temperature est egalement un facteur influant sur lescaracteristiques d’une cellule photovoltaıque. Une cellule reelle peut etre caracteriseepar les courbes caracteristiques V-I et V-P (figure 1.15) dont les parametres principauxsont les suivants :

- Le courant de court circuit Icc, est proportionnel a l’ensoleillement et representele courant maximal genere par la cellule. Il est produit dans des conditions de court

Systeme de production d’electricite photovoltaıque 23

Figure 1.14 – Cellule elementaire photovoltaıque

circuit (Vc = 0).

- La tension a vide V0c represente la tension maximale genere par la cellule. Elle estproduit dans des conditions de circuit ouvert (Ic = 0).

- Le point de puissance maximale (PPM) est le point de fonctionnementM(Vopt, Iopt), pour lequel la puissance dissipee dans la charge est maximale.

Figure 1.15 – Caracteristique I-V d’une cellule photovoltaıque

La figure 1.16 presente l’influence de l’ensoleillement et de la temperature de lacellule sur la caracteristique de celle-ci. Figure 1.16 (a) montre l’augmentation loga-rithmique de la tension de la cellule avec l’ensoleillement, alors que le courant estune fonction lineaire de l’ensoleillement. L’influence de la temperature de la celluleest illustree dans la figure 1.16 (b). L’effet predominant avec l’augmentation de latemperature de la cellule est la diminution de la tension de fonctionnement, la celluleest ainsi moins efficace. Le courant augmente legerement avec la temperature de la


cellule.

Figure 1.16 – Influence de l’ensoleillement et de la temperature sur les caracteristiquesde la cellule photovoltaıque

2. Proprietes d’un generateur photovoltaıque

Pour un ensoleillement homogene et une meme temperature, en associant des cel-lules photovoltaıques identiques en serie on augmente la tension (la tension resultanteest la somme des tensions de chaque cellule). Si on les associe en parallele, on augmentele courant resultant (l’intensite resultante est la somme des intensites de chaque ligne decellules). Les modules photovoltaıques sont constitues d’un assemblage serie/parallelede cellules elementaires. Un champ photovoltaıque ou champ solaire est constitue d’unensemble de modules connectes en serie et/ou en parallele. On protege les modulesavec des diodes bypass afin d’eviter le fonctionnement inverse des cellules occultees,pouvant entraıner une surchauffe voire une destruction de celles-ci (figure 1.17).

Figure 1.17 – Construction d’un panneau photovoltaıque

Selon l’association en serie et/ou parallele de ces cellules, les valeurs du courantde court-circuit Isc et de la tension a vide V0 sont plus ou moins importantes. Lacaracteristique d’un generateur photovoltaıque constitue de plusieurs cellules a uneallure generale assimilable a celle d’une cellule elementaire, sous reserve qu’il n’y aitpas de desequilibre entre les caracteristiques de chaque cellule et que l’ensoleillement etla temperature soient uniformes. La figure 1.18 presente la caracteristique d’une cellule

Systeme de production d’electricite photovoltaıque 25

et d’un ensemble de cellules compose d’une association de 3 branches en parallele ayantchacune 2 modules en serie.

Figure 1.18 – Ensemble de modules compose d’un panneau PV

Comme pour la cellule simple, les caracteristiques electriques d’un panneau photo-voltaıque dependent de la temperature, de l’ensoleillement et de facon generale, de sonenvironnement (orientation et inclinaison, etat de surface, ombres partielles).

3. Structure d’un systeme photovoltaıque

La connexion directe d’un panneau photovoltaıque a une charge est le prin-cipe de fonctionnement le moins cher, dans la mesure ou la charge accepte bien laconnexion directe au generateur de puissance continue. L’inconvenient majeur de cetteconnexion est la dependance entre la puissance fournie par le generateur et la charge.En effet, la puissance fournie par le module photovoltaıque resulte de l’intersectionentre la caracteristique I − V du generateur photovoltaıque et celle de la charge[Brunton et al., 2009]. Les panneaux solaires de premiere generation etaient dimen-sionnes pour que leurs points de puissance maximale correspondent a la tension no-minale de batterie. grace a cette configuration, une simple connexion directe via unediode anti-retour suffit a effectuer le transfert d’energie du generateur photovoltaıquea la charge.

Figure 1.19 – Connexion directe d’un panneau photovoltaıque

Cependant, les caracteristiques non-lineaires du module et sa sensibilite aux condi-tions exterieures, comme l’ensoleillement et la temperature, induisent des pertes


energetiques. L’utilisation d’un dispositif d’adaptation pour optimiser la productiond’energie a chaque instant est ainsi necessaire. Celui-ci peut etre un convertisseurelevateur (boost), un convertisseur abaisseur (buck) ou un convertisseur elevateur-abaisseur (buck-boost) [Esram and Chapman, 2007]. Cette methode est plus couteusepar rapport a la connexion directe qui ne necessite qu’une simple diode, mais leur uti-lisation est motivee par un accroissement de l’energie recuperee et donc une reductiondu cout de production global [Liu et al., 2004], [Peftitsis et al., 2008].

Figure 1.20 – Connexion via un dispositif d’adaptation

Pour une exploitation plus efficace, nous avons besoin d’une commande permet-tant la poursuite du point de puissance maximale qui permet de rechercher le pointde fonctionnement optimal selon la caracteristique de la charge et les conditions at-mospheriques. Il permet d’ajuster, a chaque instant, la puissance electrique fournie parle systeme photovoltaıque a sa valeur maximale (dans les conditions d’ensoleillementet de temperature de l’instant considere) en deplacant le point de fonctionnement dumodule sur sa courbe caracteristique [Hussein et al., 1995]. Les algorithmes de cettepoursuite vont changer le rapport cyclique du convertisseur de puissance associe pourappliquer une action de controle adequate sur l’etage et pour suivre l’evolution au coursdu temps du point de puissance maximale [Hohm and Ropp, 2003].

4. Conclusion

Dans cette section, nous avons presente un systeme de production photovoltaıque.Le contexte nous a permis de presenter le principe de la conversion photovoltaıque, lesproprietes d’une cellule et d’un generateur photovoltaıque en fonction de la temperatureet de l’ensoleillement.

Dans ce contexte, il nous faut non seulement extraire l’electricite qui vient de pan-neaux photovoltaıques, mais encore optimiser le systeme de production pour augmenterle rendement de conversion. Ceci necessite le developpement d’approches permettant lapoursuite du PPM malgre les variations des parametres climatiques et/ou de la charge.

L’electrification des sites isoles 27

V. L’electrification des sites isoles

Dans la plupart des regions isolees, le prix de la connexion au reseau electriqueest tres eleve et parfois il n’existe pas de solutions pour s’y connecter. La baisse desprix des energies renouvelables et la fiabilite croissante de ces systemes ont mene a uneplus grande utilisation de ces systemes pour la generation d’energie electrique dans cesregions.

Le caractere capricieux des sources renouvelables pose le probleme de la disponibiliteenergetique et du stockage. L’autre inconvenient majeur des energies renouvelablesvient de la non regularite des ressources. Les fluctuations de demande de charge selon lesperiodes journalieres ne sont pas forcement en phase avec les ressources. La solution estle couplage entre plusieurs sources, par exemple l’energie photovoltaıque avec l’energieeolienne. Un couplage des energies renouvelables avec le systeme de batterie a resolule probleme de la disponibilite de l’energie [El-Shatter et al., 2006].

L’electrification d’un site isole peut incorporer un systeme de distribution a cou-rant alternatif, un systeme de distribution a courant continu, un systeme de stockage,des charges et un systeme de supervision. L’interconnexion entre ces systemes peutetre realisee par des dispositifs de puissance : onduleurs, redresseurs, convertisseurs...A part la charge principale, un systeme isole peut contenir aussi des charges auxi-liaires (charge differee, charge optionnelle, charge de delestage) pour realiser l’equilibreenergetique. Dans un systeme isole avec des batteries de stockage et des charges auxi-liaires, s’il existe un exces d’energie, celui-ci passera d’abord dans les batteries et en-suite, il sera utilise pour alimenter les autres charges auxiliaires en fonction de leurpriorite [McGowan and Manwell, 1999].

Le but d’un systeme isole est d’assurer l’energie demandee par la charge et deproduire le maximum d’energie a partir des sources d’energie renouvelable, tout enmaintenant la qualite de l’energie fournie. Les performances d’un systeme isole, lerendement et la duree de vie, sont influences par le dimensionnement des composants,le type de composants, l’architecture et le choix de la strategie de fonctionnement influeegalement sur les performances d’un tel systeme.

1. Classement des systemes isoles

La puissance delivree par les systemes isoles peut varier de quelques watts pour desapplications domestiques jusqu’a quelques mega watts pour les systemes utilises dansl’electrification de petites ıles [Nelson et al., 2002]. On peut les classer par gamme depuissance comme suivant :

- systeme autonome (faible puissance < 10kW ) : station de telecommunication, depompage d’eau ... ,

- micro reseau isole (puissance moyenne 10 − 100kW ) : alimentation d’un villageisole, des zones rurales ... ,

- grand reseau isole (grande puissance > 100kW ) : reseau insulaires ...

Pour les systemes isoles ayant une puissance en-dessous de 100 kW, la connexion


mixte qui utilise parallelement le bus a courant alternatif et le bus a courant continu,est tres repandue [Lundsager and Baring-Gould, 2005]. Le systeme de stockage utiliseun nombre eleve de batteries pour etre capable de couvrir la charge moyenne pendantplusieurs jours.

Les systemes plus grands, ayant une puissance superieure a 100 kW, utilisent lebus a courant alternatif, avec des sources d’energie renouvelable concues pour etreconnectees aux grands reseaux inter-connectes. Si ces systemes contiennent des sous-systemes de stockage, ce qui est rare, c’est pour lisser les variations de l’energie denature renouvelable [Baring-Gould and Lundsager, 2012].

Dans notre etude, on ne s’interesse qu’au systeme de petite taille dont la demandede charge maximale est de l’ordre de dizaine de kilowatts.

2. Configuration d’un systeme isole

Les systemes isoles classiques sont composes d’un bus a courant continu (CC) pourle groupe de batteries et d’un autre a courant alternatif (CA) pour le generateur etla distribution. Cependant, les recents progres dans les domaines de l’electronique depuissance et des systemes de commande permettent de reduire les couts avec unestructure employant un seul bus CA. Les sources renouvelables peuvent etre connecteesau bus a CA ou au bus CC, selon la taille et la configuration du systeme.

Les systemes qui alimentent de petites charges utilisent le bus CC uniquement.Pour des charges plus importantes, les systemes utilisent plutot le bus CA commepoint principal de connexion. La tendance est alors que chaque source possede sonconvertisseur avec sa propre commande integree, ce qui permet une coordination de laproduction. Des ecarts importants existent entre les differentes configurations possibles[Luque and Hegedus, 2010].

2.1. Architecture a bus CC

La majorite de ces systemes de petite puissance presente une structure ou le busCC de la batterie est le point central de connexion. En general, les petites eoliennesproduisent de l’electricite en courant alternatif a frequence variable puis injectee dansle bus CC (au travers d’un convertisseur si necessaire). Cette energie est ensuite stockeeou reconvertie en courant alternatif (a amplitude et frequence fixes) a travers un on-duleur pour alimenter la charge. Les batteries et l’onduleur sont dimensionnes pouralimenter des pics de charge. La puissance delivree peut etre controlee en incorpo-rant un regulateur de charge dans les sources d’energie renouvelable (figure 1.21). Lesavantages et les desavantages d’un tel systeme sont presentes ci-apres.

Avantages :

- La connexion de toutes les sources sur un bus CC simplifie le systeme de com-mande.

- Les generateurs peuvent etre dimensionnes de facon optimale, c’est-a-dire de sortea fonctionner a puissance nominale pendant le processus de chargement des batteries


jusqu’a un etat de charge de 75− 85%.

Inconvenients :

- Le rendement de l’ensemble du systeme est faible, parce qu’une certaine quantited’energie est perdue a cause des batteries et des pertes dans les convertisseurs.

- Les generateurs ne peuvent pas alimenter directement la charge, l’onduleur doitdonc etre dimensionne pour assurer le pic de charge.

Figure 1.21 – Architecture a bus a courant continu d’un systeme isole

La commande de ces petits systemes depend de l’etat de charge de la batterie.Le generateur eolien doit limiter sa tension de sortie et delivrer la puissance produitelorsque la batterie est completement chargee et ne peut donc plus stocker d’energie.A l’oppose, l’onduleur et la charge doivent se deconnecter pour arreter la decharge dela batterie quand la tension atteint un niveau limite inferieur predefini. Ces deux pro-prietes impliquent une conception adaptee du systeme, optimisant ainsi les ressourcesenergetiques et conduisant a une quantite minimale d’energie non fournie.

2.2. Architecture mixte a bus a courant continu/alternatif

La configuration a deux bus est presentee dans la figure 1.22. Celle-ci a des perfor-mances superieures par rapport a la configuration avec un bus CC. Dans cette configu-ration, les sources d’energie renouvelable peuvent alimenter une partie de la charge acourant alternatif directement, ce qui permet d’augmenter le rendement du systeme etde reduire la puissance nominale de l’onduleur. Les convertisseurs situes entre les deuxbus (le redresseur et l’onduleur) peuvent etre remplaces par un convertisseur bidirec-tionnel, qui, en fonctionnement normal, realise la conversion courant continu/courantalternatif (fonctionnement onduleur). Quand il y a un surplus d’energie, il peut aussicharger les batteries (fonctionner en redresseur). On peut aussi utiliser un convertisseurbidirectionnel mais la commande est alors differente et moins souple.

La faisabilite technique et economique de cette structure est liee aux progres desconvertisseurs statiques et de leur commande. L’avantage principal est la modularite


Figure 1.22 – Architecture a bus a courant continu d’un systeme isole

qui permet la connexion et/ou le remplacement de modules de production en cas debesoin de plus d’energie. L’installation des elements sur tout le mini-reseau est possible,ce qu’on ne peut pas faire dans le cas d’un bus CC.

Avantages :

- le generateur et l’onduleur peuvent fonctionner en autonome ou en parallele.Quand le niveau de la charge est bas, l’un ou l’autre peut generer le necessaire d’energie.Cependant, les deux sources peuvent fonctionner en parallele pendant les pics de charge,

- la possibilite de reduire la puissance nominale du generateur et de l’onduleur sansaffecter la capacite du systeme d’alimenter les pics de charge,

Inconvenients :

- besoin de technologies evoluees, donc cheres et des applications difficiles dans deslieux isoles,

- dans les systemes fonctionnant avec une forte capacite de stockage, cette topologiepresente des niveaux de pertes superieurs parce que l’energie de stockage doit passerdu point de generation vers le bus a courant alternatif et traverser le convertisseurbidirectionnel qui relie la batterie au systeme.

Dans le contexte d’un systeme autonome de petite puissance, on utilise l’architecturea bus a courant continu pour sa simplification et son faible cout.

3. Systemes de stockage

L’energie electrique est une energie qui ne peut etre stockee qu’en quantite modereepour un cout raisonnable. Dans les systemes isoles, des batteries sont souvent uti-lisees pour garantir l’equilibre production/consommation et pour lisser les variationsde puissance. Il y a plusieurs formes de stockage d’energie possibles comme la batterie,les volants d’inertie ... Dans le cas de stockage par pompage d’eau, l’energie produite


sert a remplir un reservoir de stockage dont l’eau sera turbinee pour restituer l’energie[Ibrahim et al., 2008]. Le principe du volant d’inertie est simple. Il s’agit d’emmaga-siner l’energie en mettant en rotation une masse importante [Faure, 2003]. L’energiecinetique obtenue peut etre restituee a la demande sous forme d’energie electrique, enutilisant une machine electrique en regime generateur.

Le stockage d’energie le plus utilise est la batterie. Toute batterie est un ensemblede cellules electrochimiques capables de stocker de l’energie electrique sous forme chi-mique, puis de la restituer partiellement par la suite, grace a la reversibilite des reactionsmises en jeu. Ces reactions consistent en des oxydations et des reductions au niveaudes electrodes, le courant circulant sous forme d’ions dans l’electrolyte et sous formed’electrons dans le circuit raccorde a la batterie (figure 1.23). La capacite energetiquede la batterie (exprimee en wattheures, Wh) depend des quantites et de la nature deselements chimiques compris dans la cellule.

Figure 1.23 – Cellule electrochimique de base

L’anode est l’electrode a laquelle l’oxydation (perte d’un ou plusieurs electrons)se produit et a partir de laquelle les electrons vont alimenter le circuit exterieur (lacharge). La cathode est l’electrode a laquelle se produit la reduction (gain d’un ouplusieurs electrons) ; les electrons revenant de la charge arrivent sur cette electrode. Endecharge, l’anode est la borne negative de la batterie et la cathode la borne positive.Par contre, en charge, l’electrode negative est la cathode et l’electrode positive estl’anode, les electrons circulant alors dans l’autre sens [Vechiu, 2005].

Les parametres electriques suivants sont generalement employes pour caracteriserune batterie :

- La capacite nominale qnom est le nombre d’amperes-heures (Ah) qui peut etreextrait de la batterie, dans des conditions de decharge predeterminees.

- L’etat de charge SOC (State-of-charge) est le rapport entre la capacite presenteet la capacite nominale : SOC = q/qnom(0 < SOC < 1). Si SOC = 1, la batterie esttotalement chargee si SOC = 0, la batterie est totalement dechargee.

- Le regime de charge (ou decharge) est le parametre qui reflete le rapport entre lacapacite nominale d’une batterie et le courant auquel celle-ci est chargee (ou dechargee).


Il est exprime en heures. Par exemple, pour une batterie de 150Ah dechargee a 5A, leregime de decharge est 30h.

- La duree de vie est le nombre de cycles charge/decharge que la batterie peutsoutenir avant de perdre 20% de sa capacite nominale.

Malgre le probleme de capacite et de duree de vie, la batterie plomb-acide est lasolution la plus utilisee pour le systeme de stockage des sites isoles pour son prix tresconcurrentiel et sa robustesse. C’est pour ces raisons que nous avons choisi dans cettethese d’utiliser des batteries plomb-acide pour le systeme de stockage.

4. Conclusion

Nous avons presente une vue generale de l’electrification des sites isoles. Le classe-ment et la configuration de ces systemes sont etudies. Les systemes de stockage, indis-pensables pour le fonctionnement de tels sites, sont aussi decrits. Pour un systeme auto-nome de faible puissance (moins de 10 kW) comme notre cas, la generation d’electriciteconvenable est basee sur la generation en bus a courant continu et un systeme de batte-rie pour le stockage. Le management du systeme doit permettre d’extraire la puissancemaximale en fonction des fluctuations de l’energie demandee, et ameliorer la duree devie des composants.

VI. Objectif de these

Ainsi l’objectif principal de nos travaux de these est d’optimiser la productiond’electricite d’un site isole a partir des deux sources renouvelables : photovoltaıqueet l’eolienne. Par optimisation, on entend non seulement ameliorer le rendementenergetique mais aussi la qualite de l’energie produite, ce qui aurait pour consequencede rendre possible l’utilisation de ces deux sources renouvelables pour l’electrificationdes sites autonomes.

Dans ce chapitre, un bilan des principales formes d’energies disponibles a etepresente. Les caracteristiques principales des energies renouvelables les plus utilisees al’heure actuelle ont ete egalement decrites, puis on s’est concentre sur les technologiesphotovoltaıque et eolienne. Les principes et elements constitutifs du panneau solairephotovoltaıque et de l’eolienne (les differents types de generateurs electriques utilisesdans les turbines eoliennes et les principales applications des eoliennes), avec une partiespecialement consacree aux systemes isoles, ont aussi ete presentes.

Chapitre 2

L’optimisation de la production del’energie solaire

L’energie solaire photovoltaıque (PV) constitue l’une des solutions la plus conve-nable aux besoins energetiques dans le futur sur le plan environnemental mais aussisur le plan pratique. Elle contribue donc a l’electrification des zones en milieu urbainainsi qu’aux zones rurales ou aux sites isoles.

L’energie electrique peut etre fournie par des panneaux photovoltaıques. En effet,de nombreuses recherches sur les techniques photovoltaıques ont ete effectuees afind’augmenter le rendement de ces panneaux mais aussi afin d’extraire le maximumd’energie de ceux-ci tout en concevant un systeme fiable et stable.

La structure d’un systeme photovoltaıque de production d’energie electrique com-prend un convertisseur d’electronique de puissance afin d’adapter l’energie fournie acelle demandee mais aussi pour en extraire le maximum de puissance quelques soientles variations de temperature et d’ensoleillement (figure 2.1).

Figure 2.1 – Structure d’un systeme de production d’energie photovoltaıque

Il existe dans la litterature plusieurs methodes de poursuite du PPM comme lamethode d’increment de conductance, la methode de capacite parasite ou la methodeperturbe et observe (P&O) ... Elles sont basees sur le reglage du courant ou de la ten-sion du generateur photovoltaıque selon les variations des conditions climatiques et/oud’exploitations. Pourtant, des incertitudes sur ces conditions ont diminue l’efficacitede ces methodes, notamment sous l’evolution rapide des conditions environnementalesou la variation des parametres. Les methodes d’intelligence artificielle (le reseau neu-rone, la logique floue ... ) ayant les qualites des mecanismes adaptatifs et flexibles, sontcapables d’ameliorer l’efficacite en presence de ces incertitudes.

34 L’OPTIMISATION DE LA PRODUCTION DE L’ENERGIE SOLAIRE

Dans ce chapitre, nous allons detailler une chaine de conversion photovoltaıque enexpliquant sa structure et tous ces elements. Puis, dans le but de concevoir un controleurMPPT non seulement robuste et efficace, mais aussi afin de fonctionner correctementsous toutes les variations, nous avons combine la methode P&O dans un controleurflou, ce qui profite bien des avantages des deux methodes, et permet de surmonterles inconvenients de celles-ci. Les resultats de simulation seront montre pour prouverl’efficacite de notre controleur propose.

I. Modelisation d’un generateur photovoltaıque

Un panneau (ou un generateur) photovoltaıque se compose de plusieurs modulesconnectees en serie et en parallele pour avoir une tension et une puissance souhaitee.Chaque module est lui meme compose de plusieurs cellules PVs en serie et en parallele(figure 2.2).

Figure 2.2 – Panneau PV

Une cellule photovoltaıque peut etre modelisee a partir de l’equation definissant lecomportement statique de la jonction P-N d’une diode classique. Le modele le plusutilise, pour sa simplicite et sa precision, est celui a une diode [Vechiu, 2005] (figure2.3).

Figure 2.3 – Modele a une diode d’une cellule PV

Modelisation d’un generateur photovoltaıque 35

Dans ce modele, la cellule photovoltaıque est representee par une source de courantqui genere un courant Iph proportionnel a l’ensoleillement G. La resistance shunt Rsh

caracterise le courant de fuite au niveau de la jonction et la resistance Rs representeles diverses resistances de contact et de connexion. Le courant fourni par la cellule Icest modelise par l’equation suivante :

Ic = Iph − I0(

expe(Vc +RsIc)

nkTc− 1

)− Vc +RsIc

Rsh

(2.1)

ou :n le facteur d’idealite de diodek la constante de Boltzmanne la charge de l’electronVc la tension aux bornes de la cellule

I0 = 1, 5.105 exp(−Eg

kTc

)le courant de saturation

Eg est dite ”l’energie de la bande interdite”. Pour un materiau semi-conducteur donne,Eg est presque constante et I0 est donc une fonction de la temperature absolue de lacellule Tc.

La modelisation d’un module, qui contient des cellules connectees en serie et enparallele, sera basee sur la caracteristique courant - tension d’une cellule (equation 2.1)en considerant le meme ensoleillement et la meme temperature pour toutes les cellules.

Sans perdre en generalite, on suppose que les cellules fonctionnent toujours dansune temperature ambiante constante (Tc = 25 C). Alors, les caracteristiques electriquesdu panneau photovoltaıque ne dependent que de l’ensoleillement. Les courbes V − I etV − P du module photovoltaıque utilise pour differentes valeurs d’ensoleillement G a25oC sont donnees par les figures 2.4 et 2.5.

Figure 2.4 – La courbe caracteristique V-I du module photovoltaıque utilise


Figure 2.5 – La courbe caracteristique V-P du module photovoltaıque utilise

II. Poursuite du PPM pour un panneau photo-

voltaıque

1. Principe de la poursuite du PPM

Le fonctionnement d’un panneau photovoltaıque depend fortement des conditionsatmospheriques (temperature ambiante, ensoleillement) mais aussi des caracteristiquesde la charge connectee. En effet, pour une charge, avec sa resistance interne, l’adapta-tion optimale ne se produit qu’a un point de fonctionnement, appele point de puissancemaximale (PPM). Ainsi, quand une connexion directe est realisee entre la source etla charge, la sortie du panneau photovoltaıque est rarement maximale et le point defonctionnement n’est pas optimal (figure 2.6).

Figure 2.6 – Fonctionnement d’un panneau photovoltaıque

Alors, quand ces conditions changent (la variation peut etre rapide), on va fonction-ner loin du point de puissance maximale. Pour surmonter ce probleme, nous utilisons unconvertisseur entre la source et la charge. Ce convertisseur est un hacheur qui peut etrede type abaisseur (buck), elevateur (boost) ou bien abaisseur-elevateur (buck-boost)

Poursuite du PPM pour un panneau photovoltaıque 37

selon la nature de la charge ou la nature de la commande qu’on veut derriere.

En changeant le temps d’ouverture (le rapport cyclique) de l’interrupteur de ceconvertisseur selon la variation des conditions atmospheriques, on change la tension desortie du panneau, par consequent la puissance produite par celui-ci (figure 2.7).

Figure 2.7 – Principe de MPPT d’un panneau photovoltaıque

La reaction de la tension du panneau selon le changement du rapport cyclique peutprendre deux variantes : une augmentation du rapport cyclique implique une diminutionde la tension du panneau et inversement, une diminution du rapport cyclique augmentela tension du panneau.

La poursuite du point de puissance maximale (Maximum Power Point Traking ouMPPT en anglais) est base sur ce principe, elle force le panneau a fonctionner au PPMen variant le rapport cyclique du convertisseur selon les variations de la charge ou desconditions atmospheriques, ainsi la puissance delivree est toujours a la valeur maximale[Salas et al., 2006].

2. Synthese des commandes MPPT des systemes photo-voltaıques

Differents types d’algorithmes effectuant la recherche du PPM ont ete dejapublies [Brunton et al., 2009], [Esram and Chapman, 2007], [Hussein et al., 1995],[Ikegami et al., 2001]. Parmi les nombreuses publications, nous avons fait une classifi-cation des differents algorithmes MPPT existants en les regroupant selon leur principede recherche. Ils peuvent etre classes comme suit :

– les methodes indirectes : le PPM est estime a partir de la courbe de puissance dugenerateur photovoltaıque,

– les methodes directes : le reglage du PPM est obtenu a partir de la mesure de lapuissance instantanee du generateur photovoltaıque.

2.1. Methodes indirectes

Les methodes indirectes sont basees sur la connaissance de la caracteristiquenon lineaire du generateur photovoltaıque, qui n’est pas disponible avec precision.Elles ont besoin aussi de mesurer l’ensoleillement des panneaux photovoltaıques et


la temperature ambiante, puis consulter la courbe de puissance pour avoir la tension(ou le courant) de fonctionnement optimale correspondante.

On peut comparer la tension mesuree du panneau aux valeurs optimales stockeesdans le systeme de commande selon des conditions atmospheriques mesurees et puiseffectuer la commande pour atteindre celles-ci. Pourtant, cet algorithme necessite unegrande capacite de memoire pour le stockage des donnees et il faut mettre a jour desdonnees pour chaque panneau. En outre, il est difficile d’enregistrer et de stocker toutesles conditions possibles du systeme et la mesure des conditions atmospheriques n’estpas facile et n’est pas precise non plus [Huynh et al., 2012], [Ibrahim et al., 1999].

Les courbes caracteristiques peuvent etre obtenues par la modelisation hors lignea l’aide des equations mathematiques ou approximations numeriques. Cependant, leurresolutions sont impossibles a appliquer sur les commandes analogiques et tres dif-ficiles a appliquer sur les commandes numeriques classiques [Nishioka et al., 2003],[Phang et al., 1984]. Par consequent, leur applications ne semblent pas approprieespour l’obtention du PPM. Neanmoins, d’autres methodes basees sur la modelisation deces caracteristiques sont encore utilisees [Takashima et al., 2000], [Adel Hamdy, 1994].

2.2. Methodes directes

Les methodes directes n’ont pas besoin de connaıtre ni la courbe de puissance dugenerateur ni l’ensoleillement reel ou la temperature, et la determination de leur pointde fonctionnement est independant des conditions climatiques [Huynh et al., 2011].Une de ces methodes est celle nommee ”algorithme d’increment de conductance”, ellese base sur la derivee de la conductance du generateur (dG = dI/dV ) pour connaıtrela position relative du PPM et enfin pour appliquer une action de controle adequateau suivi de ce PPM [Kim et al., 2001], [Hussein et al., 1995]. Il existe aussi le methodesimilaire a la methode de l’increment de conductance, c’est celui de la capacite parasite[Brambilla et al., 1999], qui est base sur l’effet de la capacite parasite de la cellulephotovoltaıque.

La methode la plus utilisee dans le domaine du photovoltaıque est celle dePertube&Observe (P&O) [Esram and Chapman, 2007], [Hohm and Ropp, 2003]. Sonprincipe consiste a perturber le rapport cyclique pour faire deplacer le point de fonc-tionnement le long de la caracteristique du generateur presentant un maximum. Dans lecote gauche du PPM, l’augmentation de la tension fait augmenter la puissance et dansle cote droit du PPM, la diminution de la tension fait augmenter la puissance (figure2.8). Alors, si une perturbation entraine une augmentation de la puissance, on devraitcontinuer dans la meme direction pour atteindre le PPM et s’il y a une diminution dela puissance, la perturbation devrait etre inversee. La recherche s’arrete theoriquementquand le systeme atteint le PPM.

Le premier inconvenient de cette methode est que l’on impose toujours une os-cillation autour du PPM. En effet, cette oscillation est necessaire pour connaıtre lesvariations de la puissance de sortie du generateur et ainsi reajuster le rapport cycliquedu convertisseur en faisant en sorte que le point de fonctionnement oscille le plus prespossible du PPM, meme si les conditions de fonctionnement sont inchangees. L’oscilla-

Poursuite du PPM pour un panneau photovoltaıque 39

Figure 2.8 – Principe du methode P&O

tion peut etre minimisee en reduisant le pas de perturbation. Cependant, une taille pluspetite du pas de perturbation ralentit le temps de reponse du MPPT. Une solution a ceprobleme consiste a avoir un pas de perturbation variable qui devient de plus en pluspetit lorsque que l’on se rapproche du PPM comme dans [Xiao and Dunford, 2004],[Al-Amoudi and Zhang, 1998], [Femia et al., 2005].

De plus, cette methode peut echouer sous l’evolution rapide de condition at-mospherique comme illustre dans la figure 2.9. A partir d’un point de fonctionnementA, si l’ensoleillement reste constant, une perturbation dV dans la tension V va ame-ner le point de fonctionnement a B et elle sera annulee en raison d’une diminution depuissance.

Figure 2.9 – Fonctionnement du methode P&O sous l’evolution rapide de l’ensoleille-ment

Toutefois, si l’ensoleillement augmente, la courbe de puissance change de P1 a P2

au sein d’une periode d’echantillonnage, le point de fonctionnement se deplacera de Aa C. Cela represente une augmentation de la puissance et la perturbation est main-tenue dans la meme direction. En consequence, le point de fonctionnement est loindu PPM et restera de plus en plus loin si l’ensoleillement augmente regulierement.


Pour assurer que le PPM est toujours suivi, meme lors de changements rapides de l’en-soleillement, [Hsiao and Chen, 2002] utilise le methode P&O de ”three-point weightcomparison” qui compare le point de puissance actuel aux deux precedents avant unedecision de la prochaine direction de perturbation. [Femia et al., 2005] optimise le tauxd’echantillonnage. [Xiao and Dunford, 2004] permet de basculer entre le traditionnel al-gorithme P&O adaptatif et une mise a jour du mecanisme pour empecher la deviationdu PPM.

D’autres algorithmes se basent sur l’introduction de variations sinusoıdales en petitsignal sur la frequence de decoupage du convertisseur pour comparer la composantealternative et la composante continue de la tension du generateur et pour ainsi placer lepoint de fonctionnement du generateur le plus pres possible du PPM [Tse et al., 2004].

Parfois, les algorithmes etablissent des approximations afin que le point de fonc-tionnement du generateur soit le plus proche possible du PPM, nous parlons alors demethodes complexes assistees par ordinateur. Par exemple pour [Ikegami et al., 2001],la commande MPPT se base sur une estimation du point de fonctionnement dugenerateur realisee a partir d’un modele parametrique du generateur defini au prealable.[Kasa et al., 2005] a propose une methode qui epargne le capteur de courant en calcu-lant le courant du generateur a partir de la tension du generateur a l’aide d’un DSP.

III. Utilisation d’un controleur flou

Pour la commande de systeme non-lineaire, on ne dispose pas de solution universellepour la conception de ses controleurs. L’analyse et la commande de ces systemes nesont pas des taches faciles. La plupart des travaux dans la litterature proposent desapproches qui sont limitees a des formes bien particulieres de systemes. De plus, les per-formances dependent de la complexite du schema de commande et du developpementtheorique utilise.

Parmi les systemes non-lineaires, les systemes de conversion d’energie represententune classe tres complexe. Plusieurs approches ont ete developpees dans la litteraturepour commander et gerer ces systemes. Les commandes classiques du type PI,PID sont les plus utilisees au plan industriel pour leur simplicite et leur faiblecout [Pundaleek B. H. and G., 2010], mais ces strategies de commande necessitent laconnaissance complete ou partielle du modele et ne permettent de maintenir de bonnesperformances que dans le cas ou les parametres du systeme sont fixes et on travailleautour de certains points de fonctionnement. Si des parametres changent, il faut re-calculer les coefficients PI pour que le controleur fonctionne bien. Un systeme PIclassique ne fonctionne pas generalement sur le systeme eolien, car son modele estcomplexe et imprecis, et si les conditions d’exploitation changent, cela entraine undysfonctionnement du controleur. Pour resoudre ce probleme, d’autres lois de com-mandes peuvent etre utilisees pour avoir de meilleures performances, comme les modesglissants [Beltran, 2010], la commande non lineaire par retour d’etat statique ou dy-namique [Boukhezzar, 2006], la commande multi-modeles ou encore la commande LQ[Khezami, 2011].

Les commandes basees sur l’expertise humaine peuvent etre une alternative. Elles

Controleur propose pour la poursuite de PPM 41

presentent l’avantage de tolerer l’incertitude du modele et compensent son effet. Lalogique floue a ete developpee par Zadeh en 1965 a partir de sa theorie des sous-ensembles flous [Zadeh, 1965]. Elle permet d’imiter le raisonnement humain en exploi-tant les differentes informations collectees sous formes linguistiques. L’un des princi-paux interets de l’utilisation de la logique floue consiste a pouvoir faire passer, sim-plement par l’intermediaire de regles linguistiques, l’expertise que l’on peut avoir duprocessus vers le controleur. Il est ainsi possible de transformer le savoir de l’experten regles simples que le controleur peut mettre en œuvre. Une facilite d’implantationdes solutions pour des problemes complexes est alors associee a une robustesse vis-a-vis des incertitudes et la possibilite d’integration du savoir de l’expert. L’utilisationd’un controleur flou n’est envisageable que s’il existe un savoir-faire humain qui peutetre exprime sous formes de regles floues. Les regles floues sont donc inutiles si l’on neconnaıt pas parfaitement le fonctionnement du systeme que l’on veut commander ousi l’on est incapable de le piloter manuellement [Passino and Yurkovich, 1998].

Notre systeme etudie se compose d’elements non-lineaires qui ont besoin demodelisations complexes et lourdes (panneaux photovoltaıques, systeme electroniquede puissance...). Pourtant, la plupart des approches de commande non lineaires exige ladisponibilite d’un modele mathematique du systeme. Les performances assurees serontdirectement liees a l’exactitude du modele utilise. C’est pourquoi nous avons choisid’utiliser un controleur flou. Ce choix est motive par le fait que la logique floue per-met d’exploiter les connaissances linguistiques, emanant de l’expert humain, decrivantle comportement du systeme ou la strategie de commande pour assurer de meilleuresperformances et d’avoir de la flexibilite lors de la conception du controleur.

IV. Controleur propose pour la poursuite de PPM

1. Introduction de la methode proposee

D’apres la section precedente, on reconnait que les methodes Perturbe&Observesont largement utilisees en raison de leur structure simple et le fait qu’elles necessitentmoins de parametres mesures, mais leur vitesse de convergence est variable. De plus,le systeme va osciller en permanence autour du PPM. Ces oscillations peuvent etreminimisees en reduisant la valeur du pas d’increment. Cependant, une faible valeurd’increment ralentit la recherche du PPM, il faut donc trouver un compromis entreprecision et rapidite. En outre, il s’agit d’une methode inadaptee a l’evolution rapidedes conditions atmospheriques. Cet algorithme peut avoir des erreurs d’interpretationau niveau de la direction a suivre pour atteindre le PPM lorsque des variations brusquesau niveau des conditions climatiques ou/et de charge apparaissent.

On sait aussi que les controleurs MPPT flous sont bien adaptes a ce type deprobleme et se sont bien comportes dans diverses conditions atmospheriques. Ilsconvergent rapidement, bien que pouvant travailler avec des entrees imprecises, et nenecessitent pas un modele mathematique connu parfaitement [Veerachary et al., 2003].De plus, la commande floue, connue pour sa robustesse, est de nature adaptative, cequi lui donne de grandes performances dans la variation des parametres du systeme et


des perturbations.

Donc, ici notre idee est de combiner la methode P&O dans un controleur flou enprenant en compte le sens de variation des perturbations. Comme montre sur la figure2.8, nous pouvons deduire que si une augmentation positive de la tension V cree unaccroissement de la puissance P , cela signifie que le point de fonctionnement se trouvea gauche du PPM (dP/dV > 0). De plus, si sa derivee d2P/dV 2 < 0, c’est-a-dire onapproche vers le PPM, alors on continue dans cette direction. Si d2P/dV 2 > 0, on estparti loin du PPM, alors il faut augmenter la tension V pour atteindre le PPM.

Au contraire, si la puissance decroıt lors d’une augmentation de la tension, celasignifie que le point de fonctionnement se trouve a droite du PPM (dP/dV < 0). Alors,si la derivee d2P/dV 2 > 0, c’est-a-dire que l’on approche vers le PPM, alors on continuedans cette direction. Si d2P/dV 2 < 0, on est parti loin du PPM, alors il faut diminuerla tension V pour atteindre le PPM. Si on est proche du PPM (dP/dV ≈ 0), on arretela perturbation. En resume, cette methode est detaillee dans le tableau ci-dessous :

Tableau 2.1 – Regles de direction de la poursuite du PPM d’un panneau photovoltaıque

d2P/dV 2

Negatif Zero PositifNegatif Diminuer V Diminuer V Nul

dP/dV Zero Nul Nul NulPositif Nul Augmenter V Augmenter V

2. Choix des elements du controleur flou

Pour mettre en œuvre cet algorithme dans un controleur flou, nous avons besoinde deux entrees : le changement de la puissance du generateur (dP/dV ) et sa derivee(d2P/dV 2), la sortie est le rapport cyclique D1 du convertisseur DC/DC 1 (figure 2.10).

Figure 2.10 – Controleur de la poursuite de PPM d’un panneau photovoltaıque propose

2.1. Fuzzification

L’operation de fuzzification permet de passer du domaine reel au domaine flou. Elleconsiste a determiner le degre d’appartenance d’une variable d’entree pour une fonc-

Controleur propose pour la poursuite de PPM 43

tion d’appartenance donnee. Le premier element est le choix de la nature des fonctionsd’appartenance en entree. Afin de faciliter les reglages du controleur flou, nous utilise-rons des formes triangulaires, ce qui permet de traiter tres simplement des fonctionslineaires par morceaux en entree. Les fonctions d’appartenance sont placees de tellemaniere qu’a tout moment il n’y ait que deux fonctions d’appartenances activees pourchaque entree. Ce choix apporte plusieurs avantages. Tout d’abord, en limitant les in-teractions entre les parametres, la commande est ainsi considerablement simplifiee. Deplus, une action tres localisee sur la surface de commande est ainsi rendue possible.

Enfin, en limitant le nombre de fonctions actives simultanement, le temps de cal-cul necessaire au traitement flou sur le calculateur est egalement reduit, en vue derendre possible une implantation sur micro-controleur. Ayant choisi le type de fonctiond’appartenance en entree, il faut maintenant determiner leur nombre, c’est-a-dire lacouverture de l’univers du discours. Plus ce nombre sera important, plus le nombrede sous-ensembles flous sera consequent, et plus la sensibilite de la commande floueaugmentera. Cependant, une telle augmentation se traduit aussi par un nombre deparametres a regler de plus en plus important, ce qui peut s’averer problematique enterme de temps et difficulte de reglage. Nous fixons alors cinq fonctions d’appartenance,afin d’obtenir un bon compromis entre la sensibilite de la commande et la difficulte dereglage.

Alors, les ensembles de termes linguistiques utilises sont :

– dP/dV [Tres Negatif, Negatif, Zero, Positif, Tres Positif].

– d2P/dV 2 [Tres Negatif, Negatif, Zero, Positif, Tres Positif].

Figure 2.11 – Fonction d’appartenance des entrees ”dP/dV ” et ”d2P/dV 2”

La grandeur µ(x) definit le degre d’appartenance au sous-ensemble flou considere.Le degre d’appartenance represente le degre de verite de la fonction d’appartenance.Afin de garantir une reponse du systeme identique pour les sollicitations positiveset negatives, une symetrie par rapport a zero est mise en place pour les fonctionsd’appartenance, ce qui conduit a fixer la fonction d’appartenance centrale.

De plus, afin de pouvoir agir sur l’ensemble de l’univers du discours selectionnepar les gains de normalisation, les fonctions d’appartenance extremes sont fixees aux


limites de l’intervalle −1,+1. Ceci se traduit alors par deux degres de liberte de chaqueentree pour regler le controleur flou, correspondant aux deux fonctions d’appartenanceintermediaires mobiles. Il y a alors deux sommets a regler par entree soit 4 parametrespour les fonctions d’appartenance en entree.

2.2. Moteur d’inference

Pour la mise en œuvre des regles, nous avons eu recours aux regles floues de typeTakagi-Sugeno. Par exemple si dP/dV est Tres Positif et d2P/dV 2 est Positif, alors∆D1 = −2%.

La perception humaine de la commande du procede est ainsi traduite, c’est-a-direque lorsque le point de fonctionnement est eloigne a gauche du PPM (dP/dV 0)et qu’il continue a s’en eloigner (d2P/dV 2 > 0), le rapport cyclique va etre diminue(−2%) pour augmenter la tension en consequent rediriger le point de fonctionnementvers le PPM. Au contraire, au voisinage du PPM, le changement sera moindre. Il estdonc aise d’introduire la non-linearite de la commande. Le tableau de regles permetd’agir tres localement sur la surface de commande et donc une variation de l’un de sesparametres n’aura qu’une repercussion locale sur la reponse globale.

De plus, leur influences sur la surface de commande etant locales, un tel choix nepenalise pas fortement le comportement global. Les valeurs des sorties singletons sontchoisies apres plusieurs essais, pour avoir non seulement un resultat stable mais aussiun temps de reponse convenable. Si on choisit une valeur trop grande, on peut atteindrele PPM tres vite mais on risque de depasser le PPM, alors il y a des oscillations autourle PPM, et a l’inverse, si on choisit une valeur trop petite, le temps de reponse de notrecontroleur est tres grand, mais on peut atteindre la PPM plus facilement. Pour ce faireun tableau antidiagonale classique, tableau 2.2 va etre utilisee.

Tableau 2.2 – Regles de ∆D1

d2P/dV 2

Tres Neg Negatif Zero Positif Tres PosTres Negatif +2% +2% +1% 0% 0%

Negatif +2% +1% +1% 0% 0%dP/dV Zero 0% 0% 0% 0% 0%

Positif 0% 0% -1% -1% -2%Tres Positif 0% 0% -1% -2% -2%

2.3. Defuzzification

La troisieme phase des calculs est l’operation de defuzzification qui permet de passerdu domaine flou au domaine reel. A partir des fonctions d’appartenance representantnotre valeur de sortie, il faut calculer une valeur numerique pour la sortie finale. Onutilise pour cela la methode du centre de gravite a partir de fonctions singletons.

Simulation et resultats 45

La defuzzifiaction par la methode du centre de gravite revient alors a effectuer unemoyenne de valeurs ponderees ce qui est plus simple et donc plus rapide a calculer surle calculateur que la plupart des autres methodes de defuzzification. De facon similaireaux fonctions d’appartenance en entree, les singletons extremes sont fixes ainsi que lesingleton central et une symetrie par rapport a zero est appliquee.

La methode du centre de gravite permet d’exprimer analytiquement la sortie dusysteme flou, de simplifier sa mise en œuvre et de reduire le temps de calcul. Dans cecas, le niveau de sortie ∆D1(i) de chaque regle est pondere par la valeur ponderee wi.Par exemple, pour dP/dV est Positif et dP 2/d2V est Negatif, la valeur ponderee est :

wi = min(µdP/dV (Positif), µdP 2/d2V (Negatif)) (2.2)

La sortie finale du systeme (ou n le nombre de regles) :

∆D1 =

∑ni=1wi∆D1(i)∑n

i=1wi(2.3)

Apres avoir obtenu la valeur de la sortie ∆D1 au moment k nous calculons le nouveaurapport cyclique pour appliquer au convertisseur DC/DC 1 :

D1(k) = D1(k − 1) + ∆D1(k) (2.4)

V. Simulation et resultats

De nombreuses simulations, verifiant tous les differents cas possibles de fonctionne-ment ont ete effectuees avec des variations aussi bien de la charge que des conditionsatmospheriques. Les simulations presentees ci-dessous en sont un des exemples (figure2.12).

Figure 2.12 – Simulation dans Simulink Matlab

Un convertisseur elevateur (DC/DC 1) est utilise pour suivre le PPM du panneau enajustant la tension du panneau. Le controleur a deux entrees : la puissance et la tensiondu panneau photovoltaıque, et une sortie : le rapport cyclique D1 du convertisseur.Notre controleur flou est mis en œuvre dans Matlab Simulink (figure 2.13) :


Figure 2.13 – Controleur flou de poursuite du PPM dans Simulink Matlab

Le schema du panneau qui a ete developpe sous Simulink Matlab (figure 2.14) estdetaille dans la figure suivante :

Figure 2.14 – Modele du panneau photovoltaıque sous Simulink Matlab

Le courant de sorti du module est l’entree d’une source de courant, la tension esten retour pour les calculs de courant d’apres l’equation 2.1 (figure 2.15).

Figure 2.15 – Modele du generateur photovoltaıque sous Simulink Matlab

Les parametres du panneau photovoltaıque utilise sont resumes dans le tableau 2.3suivant :


Tableau 2.3 – Parametres du panneau PV utilise

Parametres Valeurs

Courant de court-circuit d’un module a 1000W/m2 1 ATension de circuit ouvert d’un module a 1000W/m2 19.44 VTension optimale d’un module a 1000W/m2 15.12 VCourant optimal d’un module a 1000W/m2 0.902 ANombre de modules en serie Ns 20Nombre de modules en parallele Np 30

Les courbes caracteristiques V − I et V − P du panneau utilise pour differentesvaleurs d’ensoleillement a 25oC sont donnees par la figure 2.16 suivante :

Figure 2.16 – Les courbes caracteristiques V-I et V-P du panneau utilise

L’ensoleillement est modifie pour tester le fonctionnement de nos controleurs pro-


poses dans diverses conditions climatiques. Une charge resistive est fixee et une autreest enclenchee et declenchee pour verifier la reponse de notre controleur sous une va-riation des conditions d’exploitation (figure 2.17).

Figure 2.17 – L’ensoleillement

Au cours des dix premieres secondes, l’ensoleillement est de 800W/m2 (selon lacourbe de puissance dans la figure 2.16, la tension optimale du panneau est Vopt =305.2V , le courant optimal du panneau est Iopt = 22.37A et la puissance maximale estPmax = 6.85kW pour G = 800W/m2). Notre controleur impose une tension de 306Vet un courant de 22.42A aux bornes du panneau, qui permet une puissance extraite de6.849kW . On a besoin environs 5 secondes pour que notre systeme atteint le regimepermanent, ce n’est pas le temps de reponse de notre controleur (figures 2.19, 2.18).

Figure 2.18 – Puissance du panneau

Lorsque l’ensoleillement change de 800W/m2 a 600W/m2 (la 20eme secondes a 40eme

secondes), notre controleur diminue la tension du panneau a 298V pour extraire unepuissance maximale de 5.132kW (la tension optimale du panneau est Vopt = 306.8rpmet la puissance maximale est de Pmax = 5.157kW pour G = 600W/m2).


Egalement, un echelon d’ensoleillement (augmentation de 600W/m2 a 900W/m2

puis descente a 700W/m2 et puis a 500W/m2 toutes les 20 secondes) est applique aupanneau (figure 2.17). Nous constatons que la tension du panneau suit bien la tensionoptimale correspondant a chaque valeur de l’ensoleillement. Nous remarquons aussi quela puissance extraite suit les variations de l’ensoleillement (figures 2.19 et 2.18).

Figure 2.19 – Courant et tension du panneau

Figure 2.19 presente aussi la reponse du systeme dans le cas d’une variation de lacharge (la 10eme, 50eme et 90eme secondes). Quand la charge change (tandis que l’enso-leillement ne change pas), on remarque que le controleur arrive toujours a maintenir latension du panneau autour de sa valeur optimale pour extraire le maximum de puis-sance du soleil, ce qui prouve le bon fonctionnement du controleur pour la poursuite duPPM sous la variation de la charge. Ici, par simplicite, pour montrer la bonne poursuitede notre controleur, nous n’utilisons que une charge resistive. Cependant, dans chapitre4, des charges triphasees avec utilisation d’un onduleur seront appliquees pour prouverque notre controleur fonctionne bien pour tout type de charge.

Alors, l’efficacite de notre controleur a ete montree dans la figure 2.19 ou la tensionet le courant du panneau sont bien commandes pour atteindre les valeurs optimalesdans toute condition de l’ensoleillement ou de la charge (l’erreur maximale est de


306.8−298306.8

≈ 2.86% pour G = 600W/m2 et minimale est de 306−305.2305.2

≈ 0.26% pourG = 800W/m2), celui-ci est tres interessant quand on se rappelle que notre controleurne connait pas les valeurs optimales a atteindre.

Figure 2.20 – Rapport cyclique D1

Ensuite, figure 2.20 va nous montrer la robustesse et la rapidite de notre controleur.Le temps de reponse pour chaque changement de vitesse de vent ou bien de la chargeest d’environ 1 seconde, c’est interessant pour les applications des sites isoles. Apresavoir atteint le PPM, le controleur a bien atteint sa valeur optimale, alors il n’y a plusd’oscillation autour du PPM.

Ces resultats de simulation montrent que notre controleur fonctionne tres bien. Il aassure la poursuite du PPM sous toutes les variations de conditions climatiques et/oud’exploitation avec precision et rapidite.

VI. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons presente les techniques pour optimiser le processus deproduction d’electricite photovoltaıque. Nous avons montre comment nous pourrionsoptimiser la puissance fournie par le generateur avec un convertisseur statique ayantpour fonction la recherche du point de puissance maximale. Nous avons egalement decritles principales caracteristiques et les verrous technologiques des elements constitutifsde cette poursuite. Une etude bibliographique des methodes de poursuite du point depuissance maximale existantes a ete presentee. Cette etude a permis de montrer lesbesoins d’un controleur en terme de performances, de robustesse et de flexibilite. Cecontroleur devrait assurer un fonctionnement aux caracteristiques maximales quelquessoient les comportements aleatoires de la source et de la charge resistive avec un hautrendement.

Dans ce contexte, notre controleur propose a ete decrit. L’idee est la combinaisonde la recherche de l’extremum et la logique floue. Nous profitons de la simplicite de lamethode perturbe & observe et la flexibilite de la logique floue pour avoir un controleur

Conclusion 51

robuste, eviter les defauts des methodes P&O sous l’evolution rapide de conditionatmospherique.

Finalement, des resultats de simulation sont presentes. Ils montrent que notrecontroleur presente de bons resultats. Il a assure une bonne poursuite de PPM, malgreles variations de conditions climatiques et de la charge avec un temps de reponse rapide.

Chapitre 3

L’optimisation de la production del’energie eolienne

La regulation de la puissance dans les petites eoliennes peut se faire soitmecaniquement en changeant les angles des pales soit electriquement. Cette derniereest plus avantageuse car la regulation mecanique reste couteuse et necessite un entre-tien regulier, alors que l’approche electrique ne necessite aucun entretien [Hau, 2006].Une approche pratique pour la production d’energie en site isole est d’utiliser des tur-bines eoliennes couplees a un generateur synchrone a aimant permanent pour creerun systeme autonome. Les generateurs synchrones a aimant permanent (GSAP) sontfiables, efficaces et necessitent peu d’entretien [Ackermann, 2006]. De plus, avec unfonctionnement flexible, ils peuvent avoir un couplage direct avec la turbine (sansboite de vitesse, un autre systeme mecanique). Ainsi, notre systeme peut fonctionner avitesse variable, pour extraire plus d’energie avec moins de sollicitations mecaniques etdonc aussi, moins de variations d’energie, ce qui n’est pas le cas avec un fonctionnementa vitesse constante [Mathew, 2006].

Les convertisseurs statiques sont indispensables dans la structure d’un tel systeme.Ils permettent non seulement de fonctionner a vitesse variable mais aussi extraire lemaximum de la puissance produite. Une structure souvent utilisee est celle qui utilise unpont redresseur de diodes associe a un convertisseur commandable (de type elevateur,abaisseur ou elevateur-abaisseur) (figure 3.1).

Figure 3.1 – Structure d’un systeme eolienne a vitesse variable

Les commandes electriques pour extraire la puissance maximale des systemeseoliennes sont tout-a -fait differentes a celles des systemes photovoltaıques. Elles sontbasees sur le reglage de la vitesse de rotation d’un generateur eolien qui produit unetension a courant alternatif tandis que les dernieres sont basees sur la regulation de

54 L’OPTIMISATION DE LA PRODUCTION DE L’ENERGIE EOLIENNE

la tension a courant continu generee par un generateur photovoltaıque. Pourtant, lavitesse de rotation du generateur eolien est proportionnelle a la tension de celui-ci,alors le principe de la poursuite du PPM des deux systemes est le meme. De cefait, on peut appliquer les methodes de la poursuite du PPM des systemes photo-voltaıques, qui sont bien developpees et ont prouve leur efficacite dans la recherche etaussi l’implementation.

Dans ce chapitre, nous allons detailler une chaine de production eolienne de petitepuissance qui fonctionne a vitesse variable avec l’aide des convertisseurs d’electroniquede puissance. Puis nous proposons un controleur afin d’effectuer la poursuite du PPMpour ce systeme, ce qui permet de profiter des avantages de celui du systeme photo-voltaıque concu dans le chapitre precedent. Les resultats de simulation seront montrespour prouver l’efficacite de notre controleur propose.

I. Modelisation de la chaine de production

d’electricite eolienne

1. Aerodynamique

Considerons le systeme eolien a axe horizontal donne par la figure 3.2 sur lequelnous avons represente la vitesse de vent v1 en amont de l’eolienne et la vitesse v2 enaval. En supposant que la vitesse de vent traversant le rotor est egale a la moyenneentre la vitesse de vent non perturbe a l’avant de l’eolienne v1 et la vitesse de ventapres passage a travers le rotor v2 soit v1+v2

2, la masse d’air en mouvement de densite

ρ traversant la surface S des pales en une seconde est [Fox et al., 1985] :

m =ρS(v1 + v2)

2(3.1)

La puissance aerodynamique Paero s’exprime par la moitie du produit de la masseet de la diminution de la vitesse de vent (seconde loi de Newton) :

Paero =m(v21 − v22)

2(3.2)

Soit en remplacant m par son expression dans l’equation 3.2

Paero =ρS(v1 + v2)(v

21 − v22)

4(3.3)

Un vent theoriquement non perturbe traverserait cette meme surface S sans dimi-nution de vitesse, soit a la vitesse vvent = v1, la puissance Pm correspondante seraitalors :

Pm =1

2CpρSv

3vent (3.4)

Modelisation de la chaine de production d’electricite eolienne 55

Figure 3.2 – Tube de courant autour d’une eolienne

ou Cp le coefficient de puissance.

Alors, la puissance mecanique d’une eolienne peut etre exprimee en fonction de ladensite de l’air ρ, du rayon des pales Rpale, et de la vitesse de vent vvent :

Pm =1

2CpρπR

2palev

3vent (3.5)

2. Coefficient de puissance

Le rapport entre la puissance extraite du vent et la puissance totale theoriquementdisponible est alors :

Cp =PmPaero

=(1 + v1

v2)(1− (v1

v2)2)

2(3.6)

Si on represente la caracteristique correspondante a l’equation 3.6, on s’apercoitque le rapport Cp presente un maxima de 16/27 soit 0,59. C’est cette limite theoriqueappelee limite de Betz qui fixe la puissance maximale extractible pour une vitessede vent donnee. L’energie maximale susceptible d’etre recueillie par une eolienne nepeut depasser en aucun cas 59% de l’energie cinetique de la masse d’air qui traversel’eolienne. En realite, jusqu’a present, seulement 60 a 70% de cette puissance maximaletheorique peut etre exploitee par les engins les plus perfectionnes. Ce rendement, appelecoefficient de puissance Cp de l’eolienne, est propre a chaque voilure.

Le coefficient de puissance Cp depend du nombre de pales du rotor et de leursformes geometriques et aerodynamiques (longueur, profil des sections). La figure 3.3donne l’image de la famille des courbes de la puissance eolienne en fonction de la vitessede rotation pour differentes vitesses du vent ainsi que la courbe optimale qui relie leurssommets selon une fonction cubique de la vitesse de rotation. Celles-ci sont concues enfonction des caracteristiques d’un site, de la puissance nominale souhaitee, du type deregulation (en pitch ou par decrochage) et du type de fonctionnement (a vitesse fixe


ou variable) [Ackermann, 2006]. Cp depend de l’angle de pale β et la vitesse reduite λ.Si Ω est la vitesse du rotor, la vitesse reduite est definie par :

λ =ΩRpale

vvent(3.7)

Figure 3.3 – Coefficient pour plusieurs types des eoliennes [Ackermann, 2006]

Dans les eoliennes a axe horizontal, on peut calculer une expression analytique deCp(λ, β) pour differentes valeurs de β. Une seule interpolation par rapport a β est alorssuffisante. Abdin [Abdin and Xu, 2000] proposent une forme sinusoıdale de Cp(λ, β),qui a ete reprise par El Aimani dans [El Aimani, 2004]. Dans ce travail, on utilise laformule proposee par Molina [Molina and Mercado, 2008] :

Cp(λ, β) =1

2

(98

λi− 0.4β − 5

)exp

(−16.5

λi

)(3.8)

ou :

λi =1

1λ+0.089

− 0.035β3+1

(3.9)

On peut voir que pour β = 0 , la valeur de Cp est maximale (figure 3.4), donc pourdes petites eoliennes qui ne peuvent pas etre equipe d’un systeme mecanique pourregler l’angle d’attaque des pales, cette derniere est fixee a une valeur pour pouvoirrecuperer une energie maximale. Dans la suite de cette etude, l’angle de pale est fixe azero (β = 0 ), comme ca Cp ne depend que de la vitesse reduite λ.

Pour chaque vitesse de vent, on a une valeur optimale de la vitesse reduite, corres-pondante a une valeur optimale de la vitesse du rotor. Alors, si la vitesse reduite λ est


Figure 3.4 – Caracteristique Cp(λ) pour plusieurs valeurs de β

commandee pour la maintenir a sa valeur optimale λopt, le coefficient de puissance esta sa valeur maximale CpM = Cp(λopt) ; on peut donc exprimer la puissance mecaniquemaximale de l’eolienne par :

Pmax =1

2CpMρπR

2palev

3vent (3.10)

Figure 3.5 – Puissance mecanique en fonction de la vitesse

A partir de la valeur optimale du rapport de vitesse λopt, la vitesse optimale durotor Ωopt correspondante est calculee par :

λopt =ΩoptRpale

vvent⇒ Ωopt =

λoptvventRpale

(3.11)

Alors, pour chaque vitesse de vent vvent, il y a une vitesse optimale du rotor Ωopt

qui donne une puissance maximale recuperee par la turbine (figure 3.5).


3. Generateur synchrone a aimant permanent

Les GSAPs sont utilises de plus en plus dans le domaine de conversion eolienne,surtout dans les applications autonomes, pour leur fiabilite, efficacite et une taillecompacte. Dans cette these, nous utilisons un GSAP couple directement a la turbineeolienne sans aucune boite de vitesse. Le modele du GSAP utilise est base sur lesequations suivantes [Hughes, 2006] :

vavbvc

=

Rs 0 00 Rs 00 0 Rs

× iaibic

+d

dt

Φa

Φb

Φc

(3.12)

ou vi, ii,Φi sont respectivement les tensions, les courants et les flux magnetiques desphases du stator de la machine, Rs etant la resistance des enroulements. Les couplagessont definis comme suit :

Φa

Φb

Φc

=

Laa Lab LacLba Lbb LbcLca Lcb Lcc

× iaibic

+ Φm

cos(θr)cos(θr − 2π/3)cos(θr + 2π/3)

(3.13)

ou θr est l’angle electrique et Φm est le flux de l’aimant vu du stator.

Par la suite, les grandeurs definies precedemment (tension, courant, flux) sont ex-primees par la transformee de Park [Boldea, 2006] qui permet le changement de co-ordonnees dans un referentiel aligne sur le champ tournant (le flux rotorique ψr). Larelation entre les composantes du courant statorique aligne sur le champ tournant estpresentee dans la figure 3.6 [Mittal et al., 2009].

Figure 3.6 – Transformee de Park

En utilisant la transformation de Park, les equations 3.12 et 3.13 deviennent :


Vd = −RSid − Ld diddt + ωLqiqVq = −RSiq − Lq diqdt − ωLdid + ωΦm

(3.14)

L’expression du couple electromagnetique dans le rotor est donnee par :

Te =3

2p[(Ld − Lq)iqid − Φmiq] (3.15)

ou p est le nombre de paires de poles, Φm est le flux magnetique, Ld est l’inductancede l’axe direct, Lq est l’inductance en quadrature, Rs est la resistance du stator etω = Ωp est la pulsation (frequence) electrique des tensions du GSAP. Dans le cas d’unrotor cylindrique, Ld ≈ Lq ≈ Ls alors :

Te = −3

2pΦmiq (3.16)

Ainsi dans un GSAP, le couple est proportionnel au courant du stator et la tensioninduite est proportionnelle a la vitesse du rotor [Huynh et al., 2012] :

Te = kT I (3.17)

E = keω (3.18)

ou I est le courant du stator, E la tension induite et kT , ke les coefficient du coupleet de tension du GSAP.

4. Pont redresseur de diodes triphase

Etant donne que le GSAP produit une tension a frequence et amplitude variables,des dispositifs d’electronique de puissance supplementaires sont necessaires pour satis-faire les besoins demandees par la charge. La methode souvent utilisee est de redresserla tension de sortie, puis on traite cette tension continue avant de l’introduire commetension d’entree de l’onduleur. Dans cette etude, on utilise un pont de diodes triphasepour redresser la tension produite par le GSAP.

Le circuit constitue par un pont de diodes (PD3) de la figure 3.7 est considere,les diodes sont supposees parfaites (interrupteurs parfaits) et le courant a la sortie dumontage redresseur est continu (charge fortement inductive) :

- lorsque v1 > v2 > v3, D1 et D′3 conduisent : ud = v1 − v3 ;





Figure 3.7 – Pont redresseur de diode triphase



Chaque diode conduit ainsi pendant un tiers de periode tandis que la tension re-dressee se compose de six portions de sinusoıdale par periode T. Sur la figure 3.8, on arepresente l’allure de la tension redressee ud ainsi que la tension aux bornes de la diodeD1(vD1).

Figure 3.8 – Tension redressee

Nous avons suppose que la source et le redresseur sont parfaits, alors que la tensionredressee ud est periodique de periode T/6. Entre 0 et T/6, cette tension a pour expres-sion : ud = Us

√2 cos(ωt) avec Us etant la valeur efficace des tensions d’entrees. Etant

donne que les elements ne sont pas parfaits (la chute due aux resistances et aux diodes,l’empietement, la non-sinusoıdale des tension d’entrees...) entraıne une diminution dela valeur moyenne Ud de la tension redressee. Cette chute peut etre negligee.

Dans ce cas, nous avons :

Ud =1

T/6

∫ T/12

−T/12ud dt =

3√

6

πUGSAP (3.19)

Id =π√6IGSAP (3.20)

ou Vd et Id sont les valeurs moyennes de la tension et du courant de sortie du redres-seur, VGSAP et IGSAP sont les valeurs efficaces de la tension et du courant fondamentauxcote alternatif [Hughes, 2006].


5. Hacheur elevateur

Les convertisseurs statiques sont des elements essentiels du systeme de conversiond’energie eolienne a vitesse variable. Ils permettent de fonctionner a vitesse variable etainsi extraire le maximum de la puissance produite par l’eolienne. On peut optimiser lapuissance (du cote continu) par un controle de la tension (en consequence la vitesse derotation du generateur) avec un redresseur commande en MLI, ou par un pont redres-seur de diodes associe a un convertisseur commandable (de type elevateur, abaisseur ouelevateur-abaisseur) [Mirecki, 2005]. Les configurations basees sur un pont redresseura six interrupteurs commandes sont onereuses et demandent un circuit de commandeassez complexe. La derniere structure adaptee dans le cadre de cette etude, necessiteun systeme de commande simple et moins cher. Comme la tension de sortie du GSAPn’est pas assez haute (la constante de tension du GSAP est de 139V/1000rpm et lavitesse de rotor est de moins de 2000rpm), nous avons choisi d’utiliser un convertisseurelevateur pour avoir une tension elevee en sortie.

Un convertisseur elevateur peut etre represente par le circuit de la figure 3.9, ouUei represente la tension d’alimentation, Ie le courant traversant l’inductance Le, Uela tension du transistor, Us la tension aux bornes du condensateur Cs, Is le couranttraversant le diode, et Uso la tension de sortie aux bornes de la charge resistive R. Parailleurs, il est a noter que la commutation est consideree instantanee et la tension deseuil de la diode VD est nulle [Barrade, 2006]. Les pertes par commutation sont doncnegligees.

Figure 3.9 – Convertisseur elevateur

On definit le rapport cyclique D comme le rapport entre la duree d’amorcage dutransistor et la periode de commutation T du convertisseur. Pendant DT , le transistorT est amorce, la tension aux bornes de Le vaut Uei. Cette phase correspond a lacroissance du courant dans l’inductance. Pendant (1−D)T , la diode D est amorcee, latension aux bornes de Le vaut Uei −Uso. La tension Ul est negative, ce qui corresponda la decroissance du courant dans l’inductance (figure 3.10).

On peut ainsi calculer la valeur moyenne de Ul comme suivant :


< Ul > =1

T

∫ DT

0

Ul(t) dt

=1

T

∫ DT

0

Uei dt+1

T

∫ T

DT

(Uei − Uso) dt

= UeiD + (Uei − Uso)(1−D) (3.21)

Figure 3.10 – Tension et courant de l’inductance Le

En regime permanent, la tension moyenne aux bornes de l’inductance Le est nulle.Par consequent :

Uso = Uei1

1−D(3.22)

Iso = (1−D)Ie (3.23)

Le rapport cyclique varie entre 0 et 1, alors le hacheur elevateur permet d’obteniren sortie une tension nettement plus elevee que celle appliquee a son entree.

Ondulation de la tension et du courant de sortie D’apres la figure 3.10,pendant la phase ou Ul est positive, on peut ecrire :

Ul = Uei = Le∆IeDT

(3.24)


ou ∆Ie est l’amplitude des ondulations du courant Ie. Il vient donc :

∆Ie =UeLef

D (3.25)

Les ondulations du courant Ie sont ainsi directement proportionnelles au rapportcyclique D. Pour dimensionner Le, on aura donc besoin de considerer la valeur maxi-male que peut prendre D, afin que Ie ne depasse jamais la valeur prescrite. On prendraen compte l’influence de la frequence de commutation f , que l’on choisira la plus eleveepossible : cela permet de reduire avec benefice la valeur de Le permettant de fixer Ie.

Dans la figure 3.11, on peut voir que la tension aux bornes de Cs varie lineairement,ce qui permet d’ecrire, sur la duree (1−D)T :

∆Uso =Ue

RsCsf

D

1−D(3.26)

Figure 3.11 – Tension et courant de Cs

ou ∆Uso represente l’amplitude des ondulations en sortie du convertisseur. Cesondulations sont bien evidemment fonction des parametres du systeme, mais egalementdu rapport cyclique D (l’amplitude des ondulations est d’autant plus grande que lerapport cyclique est eleve). Lorsque les parametres Rs et Ue sont fixes, il faut choisirune grande valeur de Cs pour diminuer cette ondulation. On impose aussi une valeur laplus elevee possible pour la frequence de commutation f du convertisseur. Cela permeten effet de reduire d’autant la capacite du condensateur Cs.

Dans les simulations suivantes, comme la frequence de commutation f est de 1kHz,on choisit pour Le de 6mH, et pour Cs de 10µF pour avoir une sortie plate.


II. La poursuite du PPM d’une eolienne couplee a

un GSAP

1. Principe de la poursuite du PPM d’une petite eoliennecouplee a un GSAP

La turbine eolienne a une courbe de puissance qui depend de ses parametres, desconditions atmospheriques et aussi de la vitesse de rotation du rotor. Differemment dufonctionnement a vitesse fixe, qui peut seulement travailler dans un point fixe de cescourbes (c’est rarement un point optimal), le fonctionnement a vitesse variable nouspermet de choisir le point de fonctionnement en reglant la vitesse du rotor. Si cettevitesse est reglee a une valeur optimale, la puissance de l’eolienne est maximale. C’estpour quoi la commande de poursuite du PPM est indispensable dans les eoliennes avitesse variable. Pour ces methodes d’optimisation energetique, on retrouve certainescaracteristiques des systemes MPPT rencontres en photovoltaıque.

La poursuite du point de puissance maximale d’une eolienne est basee sur la relationentre la vitesse de rotation du rotor et la puissance produite (figure 3.5). Le systemede commande utilise cette relation pour definir la puissance maximale disponible pourchaque vitesse de vent et fait evoluer la vitesse du rotor pour minimiser l’ecart entrecette puissance maximale et la puissance produite. Dans une eolienne couplee a unGSAP (figure 3.12), pour changer la vitesse du rotor, on peut regler la tension desortie du GSAP comme explique dans ce qui suit.

Figure 3.12 – Chaine de production d’eolienne etudiee

La tension de phase du GSAP est calculee par :

VGSAP =√E2GSAP − (IsLsω)2 (3.27)

ou EGSAP est la tension induite, Is est le courant de phase du stator et Ls estl’inductance propre d’un enroulement du stator du GSAP.

D’apres les equations 3.17 et 3.18, on a :

La poursuite du PPM d’une eolienne couplee a un GSAP 65

VGSAP =

√(keω)2 − (

TekTLsω)2

= ω

√k2e − (

TekTLs)2 (3.28)

D’apres l’equation 3.29, on peut calculer la tension de sortie du redresseur :

Vd =3√

6

πVGSAP (3.29)

D’apres l’equation 3.30, la tension de sortie du convertisseur elevateur s’ecrit :

Vdc =1

1−D2

Vd (3.30)

Alors, on a :

Vdc =1

1−D2

3√

6

πω

√k2e − (

TeLskT

)2 (3.31)

Ainsi la tension de sortie du convertisseur est proportionnelle a la vitesse de rotationde la machine. On peut jouer sur le rapport cyclique du convertisseur elevateur pourchanger cette tension, en consequence changer la vitesse du GSAP. L’augmentationdu rapport cyclique implique une diminution de la vitesse du rotor (ou tension desortie) et inversement, une diminution du rapport cyclique augmente la vitesse durotor (ou la tension). La commande de la poursuite du point de puissance maximaled’une eolienne est basee sur ce principe, elle controle la vitesse du rotor en agissantsur le rapport cyclique du convertisseur, et par consequent la puissance delivree parl’eolienne [Mirecki, 2005].

2. Synthese des commandes MPPT des eoliennes

Comme dans les systemes photovoltaıques, il existe deux structures de commandeMPPT pour les systemes eoliennes : les methodes indirectes et les methodes directes.

2.1. Methodes indirectes

Les methodes indirectes sont basees sur la courbe de puissance de l’eolienne. De cettecourbe, on peut determiner la vitesse optimale selon chaque vitesse de vent et comman-der le rotor pour suivre cette vitesse optimale [Huynh et al., 2012] ou par controleurfeed-forward [Lopez and Vannier, 2009]. Hong et al. proposent un algorithme MPPT


base sur l’utilisation des memoires et la valeur initiale de la vitesse reduite. Sur labase des caracteristiques du generateur, l’algorithme propose s’adapte et effectue avecprecision le reglage automatique de mise a jour des donnees de vitesse de referencecomme les changements de vitesse de vent [Hong and Lee, 2010].

Dans les commandes indirectes, il existe aussi les commandes en couple : a partirde la vitesse optimale, on calcule le couple optimal pour chaque vitesse de vent et cettereference est suivie ensuite par une commande, par modes glissants [Beltran, 2010] oupar un controleur flou [Mirecki, 2005]. De plus, il y a la commande indirecte par lepilotage du courant de charge. Dans cette methode, on controle le courant de charge(”cote DC”) qui debite dans une batterie selon le point de fonctionnement de l’eolienne.Contrairement aux cas precedents, le controle de la charge mecanique de voilure s’ef-fectue de facon indirecte a travers le pont de diodes [Mirecki, 2005].

Un inconvenient des methodes indirectes est que la courbe de puissance d’uneeolienne n’est pas disponible avec haute precision et va changer d’apres la vieillesse durotor [Koutroulis and Kalaitzakis, 2006]. Un autre inconvenient est qu’elle necessite lamesure de la vitesse de vent. Le prix des anemometres est une barriere pour l’applica-tion des methodes indirectes dans les sites isoles.

2.2. Methodes directes

Les methodes directes sont independantes de la connaissance des courbes de puis-sance et de la vitesse de vent. Elles sont basees sur la recherche extreme (methode P&O,methode Hill Climb Searching ... ) qui a ete appliquee avec succes dans les systemesphotovoltaıques. Pourtant, le processus de conversion d’energie eolienne est plus com-plique a cause de la nature stochastique du vent, de l’aerodynamique complexe et ducomportement non-lineaire du generateur et du systeme electrique, alors l’applicationde ces methodes a un systeme de conversion eolienne necessite des modifications etadaptations.

L’algorithme MPPT propose dans [Raza et al., 2008] exploite le fait que la courbede puissance optimale d’une eolienne est caracterisee par une constante kopt unique.Ainsi, si on arrive a atteindre les maxima et les detecter avec succes, nous pouvonsextraire kopt en mesurant la puissance et la vitesse de rotation. Une fois que kopt estconnue, il peut servir comme reference precise pour la taille et la direction de la per-turbation suivante.

Dans [Bharanikumar et al., 2010], les auteurs ont propose un controleur MPPTbase sur le courant d’entree de l’eolienne et la vitesse de vent. Ce controleur generele rapport cyclique approprie pour le convertisseur elevateur, et de ce fait, le pointde puissance maximale est suivi. Le courant optimise sert de reference de maniere aobtenir la puissance maximale de sortie generee a partir de l’eolienne pour differentesvitesses de vent.

Neanmoins, dans les methodes presentees ci-dessus, il faut mesurer la vitesse de ro-tor qui necessite un capteur de vitesse qui coute encore cher et n’est pas mesuree facile-ment avec precision. Pour cela, une methode de poursuite du PPM basee sur l’equationdP/dD = 0 qui permet de calculer le nouveau rapport cyclique pour suivre le PPM

Controleur flou de la poursuite du point de puissance maximale du systeme eolienpropose 67

quand la vitesse de vent change a ete proposee dans [Koutroulis and Kalaitzakis, 2006].[Trinh and Lee, 2010] a propose une methode basee sur la meme equation, mais en uti-lisant un controleur flou pour suivre le PPM. Toutes les deux montrent qu’on n’a pasbesoin ni de la connaissance des courbes de puissance de l’eolienne ni de la vitesse devent ni de la vitesse de rotation. Pourtant, ces methodes ne fonctionnent que pour unecharge constante. Si la charge varie quand la vitesse de vent est constante, le courantet la tension vont changer mais dP/dD reste a la meme valeur, alors le controleur nepeut pas reconnaıtre ce changement pour deplacer le systeme au nouveau PPM, lapuissance extraite n’est plus maximale. En consequence, ces methodes ne peuvent pasetre appliquees de cette maniere a des sites isoles dont la charge varie en fonction dutemps.

III. Controleur flou de la poursuite du point de

puissance maximale du systeme eolien propose

1. Introduction de la methode proposee

Dans cette etude, nous proposons une methode basee sur la relation entre la puis-sance du vent et la vitesse du rotor quand on est au PPM (dP/dΩ = 0), modifiee avecl’aide de regle de chaine pour avoir une autre forme :

dP

dΩ= 0⇔ dP

dV

dV

dΩ= 0 (3.32)

Dans un GSAP, la vitesse du rotor est proportionnelle a la tension du generateur :

dV

dΩ> 0 (3.33)

Alors quand on a atteint le PPM, on a :

dP

dΩ= 0⇔ dP

dV= 0 (3.34)

Ainsi, nous pouvons deduire que l’equation obtenu pour la recherche du PPM d’unsysteme eolien est de la meme forme que celle d’un systeme photovoltaıque. De plus,le comportement de la puissance de l’eolienne selon la tension de sortie est le meme :dans le cote gauche du PPM, l’augmentation de la tension fait augmenter la puissanceet dans le cote droit du PPM, la diminution de la tension fait augmenter la puissance.Nous avons donc le meme raisonnement que dans le cas de la poursuite du PPM d’unsysteme photovoltaıque.

Alors, on peut appliquer le controleur de la poursuite du PPM deja concu dans lechapitre 2 dans notre systeme eolien. Ainsi, on impose une perturbation de la tension


Figure 3.13 – Methode de poursuite du PPM

du generateur, s’il y a une augmentation de la puissance, la perturbation suivantedevrait suivre la meme direction pour atteindre le PPM et s’il y a une diminution dela puissance, la perturbation devrait etre inversee. Cette perturbation s’arrete quandon atteint le PPM. Pourtant, il nous faut recalculer les coefficients du controleur etchanger les regles pour adapter au nouveau systeme.

2. Choix des elements du controleur flou

Pour mettre en œuvre cet algorithme dans un controleur flou, nous avons besoinde deux entrees : le changement de la puissance du generateur (dP/dV ) et sa derivee(d2P/dV 2), la sortie est le rapport cyclique D2 du convertisseur elevateur (figure 3.14).

Figure 3.14 – Controleur flou de la poursuite de PPM propose

2.1. Fuzzification

Comme dans le chapitre 2, nous fixons cinq fonctions d’appartenance afin d’obtenirun bon compromis entre la sensibilite de la commande et la difficulte de reglage. Lesfonctions d’appartenance des entrees sont pareils comme dans chapitre 2.


2.2. Moteur d’inference

Les regles sont choisis et resumees dans le tableau 3.1 :

Tableau 3.1 – Regles de ∆D2

d2P/dV 2

Tres Neg Negatif Zero Positif Tres PosTres Negatif +3% +3% +1% 0% 0%

Negatif +3% +1% +1% 0% 0%dP/dV Zero 0% 0% 0% 0% 0%

Positif 0% 0% -1% -1% -3%Tres Positif 0% 0% -1% -3% -3%

2.3. Defuzzification

Nous utilisons aussi la methode du centre de gravite comme dans le chapitre 2.Alors, la sortie ∆D2 applique au convertisseur elevateur est calculee :

D2(k) = D2(k − 1) + ∆D2(k) (3.35)

IV. Simulation et resultats

De nombreuses simulations, verifiant tous les cas possibles de fonctionnement ont eteeffectuees avec des variations aussi bien de la charge que des conditions climatiques. Lessimulations presentees ci-dessous sont un des exemples. Le systeme teste est composed’une eolienne couplee directement a un GSAP. Un pont de diodes est utilise pourredresser la tension de sortie du GSAP. Un convertisseur elevateur est utilise poursuivre le PPM du panneau en ajustant la tension du panneau (figure 3.15).

Figure 3.15 – Simulation dans Simulink Matlab


Le modele du GSAP employe dans les circuits de simulation est directement issude la bibliotheque des modeles de Matlab/Simulink. Les parametres du GSAP utilisessont resumes dans la table suivant :

Tableau 3.2 – Parametres du GSAP utilise

Parametres Valeurs

Resistance de phase du stator 0.085 ΩInductances 0.00095 HFlux cree par aimants 0.192 V.sConstante de tension 139.2998 Vpeak−ligne/krpmConstante de couple 1.152 N.m/ApeakInertie 0.008 J kg.m2

Coefficient de frottement 0.001147 F(N.m.s)Nombre de paire de poles 4

Le controleur a deux entrees : la puissance et la tension de l’eolienne, et une sortie :le rapport cyclique D2 du convertisseur. Notre controleur flou est mis en œuvre dansMatlab Simulink (figure 3.16).

Figure 3.16 – Controleur flou de poursuit du PPM dans Simulink Matlab

Le schema de l’emulateur de la turbine eolienne est base sur les equations 3.5, 3.8et 3.9 a ete fait dans Simulink comme suit :

Figure 3.17 – Emulateur de la turbine eolienne dans Simulink Matlab

La vitesse de vent est variee pour tester le fonctionnement du controleur proposedans diverses conditions climatiques. Une charge resistive est fixee et une autre estenclenchee et declenchee pour verifier la reponse de notre controleur sous la variation


des conditions d’exploitation. Comme precedemment, par soucis de simplification, lescharges sont resistives mais le systeme fonctionne correctement avec d’autres types decharge. Dans le chapitre suivant, les charges triphasees avec utilisation de l’onduleurseront appliquees pour prouver que notre controleur fonctionne bien pour tout typede charge. Les courbes caracteristiques de l’eolienne utilise pour differentes vitesse devent sont donnees par la figure 3.18.

Figure 3.18 – Les courbes caracteristiques Pm(ω) pour differentes vitesse de vent

Au cours des dix premieres secondes, la vitesse de vent est de 8m/s (selon la courbede puissance dans la figure 3.18, la vitesse optimale du rotor est ωopt = 1500rpm et lapuissance mecanique maximale est Pmax = 8.64kW pour v = 8m/s). Notre controleurimpose une vitesse du rotor de 1520rpm au GSAP, qui permet une puissance extraitede 7.6kW . La difference entre ces deux valeurs represente les pertes de puissance dansle systeme (compris les pertes mecaniques et electriques). On a besoin d’environ 5secondes pour que notre systeme atteigne le regime permanent, ce qui n’est pas letemps de reponse de notre controleur (figures 3.19, 3.20).

Lorsque la vitesse de vent change de 8m/s a 6m/s (de la 20eme secondes a 40eme

secondes), notre controleur diminue la vitesse du rotor a 1100rpm pour extraire unepuissance maximale de 3.2kW (la vitesse optimale de rotor est ωopt = 1130rpm et lapuissance maximale est de Pmax = 3.645kW pour v = 6m/s).

Egalement, un echelon de vitesse de vent (augmentation de 6m/s a 9m/s puisdescente a 7m/s et re-augmentation a 8m/s toutes les 20 secondes) est applique ala turbine eolienne (figure 3.19). Nous constatons que la vitesse de rotor suit bien lavitesse optimale correspondante a chaque valeur de la vitesse de vent. Nous remarquonsaussi que la puissance extraite suit les variations de la vitesse du vent (figures 3.21 et3.20).

La figure 3.21 presente aussi la reponse du systeme dans le cas d’une variation de lacharge (la 10eme, 50eme et 90eme seconde). Quand la charge change (tandis que la vitessede vent ne change pas), on remarque que le controleur arrive toujours a maintenir lavitesse du rotor autour sa valeur optimale pour extraire le maximum de puissance devent, ce qui prouve le bon fonctionnement du controleur pour la poursuite du PPM


Figure 3.19 – La variation de la vitesse de vent

Figure 3.20 – Puissance de l’eolienne

Figure 3.21 – Vitesse de rotor

Conclusion 73

sous la variation de la charge.

Alors, l’efficacite de notre controleur a ete montre dans la figure 3.21 d’ou la vitessede rotor est bien commande pour atteindre les valeurs optimales dans toute conditionde vent ou de la charge (l’erreur maximale est de 1320−1280

1320≈ 3% pour v = 7m/s et

minimale est de 1710−17001700

≈ 0.6% pour v = 9m/s), celui-ci est tres interessant quandon note que notre controleur ne connait pas ces valeurs optimales.

Ensuite, la figure 3.22 va nous montrer la robustesse et la rapidite de notrecontroleur. Le temps de reponse pour chaque changement de vitesse de vent ou biende la charge est environs 1 second, c’est interessant pour les applications des sitesisoles. Apres avoir atteint le PPM, le controleur a bien fixe sa sortie, alors il n’y a pasd’oscillation autour du PPM.


Ces resultats de simulation montrent que notre controleur fonctionne tres bien. Il aassure la poursuite du PPM sous toutes les variations de conditions climatiques et ded’exploitation avec precision et rapidite.

V. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons presente tout d’abord la modelisation de la chaine deproduction eolienne dont l’aerodynamique de la turbine et aussi les systemes electriques(generateur, convertisseur de puissance). Cette modelisation nous a permis de definirensuite le principe de la poursuite du point de puissance maximale pour le but d’opti-miser le processus de production d’electricite. Nous avons egalement montre commentnous pourrions optimiser la puissance fournie par une turbine eolienne a vitesse variablecouplee a un GSAP. Une etude bibliographique des methodes de poursuite du pointde puissance maximale existantes a ete presentee. Cette etude a permis de montrerles besoins d’un controleur en terme de performances, de robustesse et de flexibilite.Ce controleur devrait assurer un bon fonctionnement aux caracteristiques maximales


quelques soient les comportements aleatoires de la source et de la charge avec un hautrendement.

Dans ce contexte, nous avons propose un controleur MPPT. L’idee est de transfor-mer l’equation de la poursuite du PPM d’une eolienne a une forme semblable a celled’un panneau photovoltaıque, alors on peut appliquer le meme controleur comme danschapitre 2. L’utilisation de la logique floue permet de surmonter la complexite de lamodelisation du systeme eolienne (GSAP, pont de redresseur...), et le methode P&Opermet de poursuivre le PPM rapidement, independant des conditions climatiques etdes courbes caracteristiques de l’eolienne. De plus, notre controleur utilise un capteurde tension au lieu d’un capteur de vitesse, ce qui est interessant et convenable pour uti-liser dans site isole. Les resultats de simulation montrent l’efficacite de notre controleur.Il a assure une bonne poursuite de PPM, malgre les variations de conditions climatiqueset de la charge avec un temps de reponse rapide.

Chapitre 4

L’optimisation de l’electrificationd’un site isole

Dans les reseaux de petites puissances en site isole, trois criteres peuvent etre pris encompte pour leur classement en fonction de la structure du systeme. Le premier critereest la presence ou non d’une source d’energie classique ou conventionnelle qui peutetre un generateur diesel, une micro-turbine a gaz... Un second critere possible est lapresence ou non d’un dispositif de stockage permettant d’assurer une meilleure satisfac-tion des besoins du consommateur pendant les periodes de chute et d’arret de produc-tion. Les dispositifs de stockage peuvent etre des batteries, des reservoirs d’hydrogeneou des volants d’inertie... Le dernier critere de classification possible est celui relatifaux types de sources d’energie renouvelable utilisees. La structure du systeme peutcontenir un systeme photovoltaıque, une eolienne, une petite centrale hydroelectriqueou une combinaison de ces sources.

Les systemes sans source conventionnelle fonctionnent surtout en mode autonomedans des sites ou l’approvisionnement en carburant diesel ou le raccordement au reseauelectrique est difficile, voire impossible. Notre systeme etudie en est un exemple, iln’est constitue que deux sources d’energie renouvelable : photovoltaıque et eolienne(figure 4.1). La puissance delivree peut etre controlee en incorporant un regulateur depoursuite du point de puissance maximale pour ces deux sources d’energie renouvelable[Luque and Hegedus, 2010].

Figure 4.1 – Structure d’un systeme isole

76 L’OPTIMISATION DE L’ELECTRIFICATION D’UN SITE ISOLE

Le systeme photovoltaıque est connecte au bus CC a travers un convertisseur sta-tique. Avec un controleur de poursuite du point de puissance maximale, l’energie pro-duite est toujours maximale dans toutes les conditions climatiques et/ou d’exploitation.Cette puissance maximale est fournie la charge au travers d’un onduleur.

Pour generer de l’electricite a basse tension, surtout dans les endroits isoles, laplupart des petits systemes eoliens utilisent les generateurs a aimant permanent quisont fiables, n’ont pas besoin d’entretiens reguliers et peuvent extraire plus d’energie enfonctionnant a vitesse variable. La vitesse de rotation de ces petits systemes eoliens estbeaucoup plus elevee que celle des grands systemes, alors on peut coupler directementla turbine et le generateur [Hansen and Risø, 2001]. Pour fonctionner a vitesse variable,l’approche la plus utilisee consiste a coupler un redresseur a un onduleur. Un hacheurpeut aussi etre utilise pour regler la puissance extraite de l’eolienne.

Pour assurer la demande de charge, des systemes de stockage peuvent egalementetre associes. Le moyen de stockage habituellement utilise repose sur l’utilisation debatteries. En particulier, les batteries au plomb qui presentent l’avantage d’un rapportprix/duree de vie satisfaisant. Un systeme de delestage par resistance est aussi utilise(figure 4.1).

Dans ce chapitre, nous presentons tout d’abord les problemes rencontres dansl’electrification des sites isoles, puis nous proposons une strategie de commande pourassurer la demande du consommateur et prendre en compte la duree de vie des dis-positifs de notre systeme. Les techniques pour extraire la puissance maximale possiblea partir des sources renouvelables utilisees sont celles developpees dans les chapitres2 et 3. Un superviseur pour gerer cette puissance maximale en prenant en compte lacontinuite du service (repondre a la demande du consommateur) et la duree de vie desbatteries de stockage est aussi propose. Les simulations sont egalement presentees pourmontrer le bon fonctionnement et l’efficacite du systeme.

I. L’electrification d’un site isole

Du point de vue de la continuite de la production et de la qualite de l’energie, lefonctionnement de ce type de systemes est affecte par deux facteurs : les variations dela puissance fournie par les sources d’energie renouvelable et celles demandee par leconsommateur. Les sources eolienne et solaire sont stochastiques de par leur nature,elles ont des caracteristiques locales et sont tres difficiles a predire. La demande duconsommateur varie egalement de l’ordre de quelques minutes [Kaldellis et al., 2007].

Le terme ”qualite de l’energie electrique” fait reference a la stabilite de la tensionet de la frequence du reseau. Il n’y a pas de normes specifiques pour les systemes degeneration en site isole, les caracteristiques du reseau isole doivent etre semblablesaux caracteristiques des grands reseaux inter-connectes. Les consommateurs qui sontconnectes aux reseaux isoles, tout comme ceux connectes aux grands reseaux inter-connectes, utilisent les memes appareils. Par consequent, les exigences de qualite del’energie sont generalement les memes [Kalantar and Mousavi, 2010].

Ainsi, la difficulte principale est de pouvoir produire a chaque instant l’energie

Superviseur pour la gestion de l’energie 77

demandee par la charge en garantissant la qualite de cette energie (tension, frequence).Avec la nature intermittente, variable et aleatoire des sources, l’utilisation d’un systemede stockage devient indispensable. Une solution a retenir est de faire fonctionner labatterie tout le temps sans faire attention a la variation de l’energie renouvelable et dela charge. Ainsi, si le systeme est bien dimensionne, l’equilibre de puissance du systemeest assuree par la batterie et par consequent, cela permet de stabiliser la frequence dusysteme, de plus la tension de bus CC est fixee (par consequent la tension du systeme).Neanmoins, parfois dans ce type de fonctionnement, la batterie doit jouer le role de lasource principale, alors un des points le plus critique est la degradation des batteriesou leur vieillissement premature [Bopp et al., 1998]. Pour resoudre ce probleme, nousutilisons le systeme de stockage comme source supplementaire, c’est-a-dire qu’elle nefonctionne que dans le cas ou on doit compenser un manque d’energie pour satisfairela demande du consommateur. Ainsi la frequence du systeme est assuree, mais il nousfaut encore un regulateur de tension dont le systeme de commande est complexe etcouteux [El-Shatter et al., 2006].

Il arrive parfois que la production d’energie renouvelable soit plus importante que laconsommation de la charge. Si l’exces d’energie dans le reseau ne peut pas etre elimine,la production d’energie renouvelable doit alors etre limitee ou meme arretee. En general,nous pouvons utiliser une charge de delestage pour maintenir l’equilibre energetique etla stabilite de la frequence comme nous l’avons montre dans [Huynh et al., 2012].

Tous ces dispositifs, tels que les charges de delestage, les batteries et les systemesde regulation de la tension, augmentent le cout d’investissement qui peut ne pas etrejustifie par les avantages du systeme isole. Il faut avoir une strategie de commandeadequate, permettant d’integrer de maniere optimale differents composants et donc derendre le systeme rentable.

Pour resumer, le probleme principal dans le fonctionnement d’un systeme isole est depouvoir fournir l’energie demandee par le consommateur, malgre les grandes variationsde l’energie produite causees par la nature stochastique des sources renouvelables,tout en maintenant la frequence et la tension fournie aux consommateurs ainsi que latension du bus a courant continu dans des limites acceptables. La duree de vie desdispositifs utilises, surtout de la batterie, est aussi prise en compte en limitant le tauxde charge/decharge.

II. Superviseur pour la gestion de l’energie

Pour gerer l’energie electrique generee, nous avons besoin d’un superviseur, qui doitoptimiser l’usage de l’energie produite et celle de la batterie. Si les sources renouvelablesne donnent pas suffisamment de puissance et si la capacite de la batterie est suffisante,la batterie fournira alors la puissance manquante. Si la puissance hybride depasse lademande de la charge, l’excedent sera stocke dans la batterie et si celle-ci est pleine, lesurplus sera dissipe dans un systeme de delestage (ici une resistance). Ainsi, la batterien’est pas le fournisseur principal, son taux de charge/decharge est reduit, et donc laduree de vie de la batterie est prolongee.

L’association GSAP - redresseur - convertisseur - batterie doit satisfaire un niveau de


tension du bus continu suffisamment eleve pour que la commande de la machine puisseetre realisee. Le bus continu doit alors etre de tension suffisamment haute pour assurerle pilotage de la generatrice a vitesse optimale et aussi pour le bon fonctionnementde l’onduleur. La regulation de la tension continue sur le bus CC est mise en œuvrepar un convertisseur elevateur. Ainsi, la tension du bus CC est regulee en controlantle flux d’energie entre les batteries et le bus. Quand l’energie fournie par les sourcesd’energie renouvelable est insuffisante pour faire face a une augmentation soudaine dela charge, l’energie manquante est obtenue a partir des batteries. Quand il existe unexces d’energie, il est utilise pour recharger les batteries. Ceci impose l’association enserie/parallele d’un grand nombre de batteries de tension standard.

Figure 4.2 – Structure du systeme de production d’energie propose

Dans ce superviseur, les entrees sont l’etat de charge de la batterie (SOC) et l’erreurde puissance DeltaP (difference entre la puissance fournie et la puissance de la charge).Les sorties sont le rapport cyclique D3 applique au convertisseur elevateur DC/DC 3pour adapter la tension du bus CC et celle de l’eolienne pour que la commande dela machine puisse etre realisee ; la commande de l’interrupteur S1 pour l’utilisationde la batterie (rechargement ou fourniture d’energie a la charge) ; et la commande del’interrupteur S2 pour l’utilisation de la resistance de decharge lorsqu’il faut dissiper lesurplus.

Les ensembles flous adoptes pour mettre en œuvre le superviseur flou sont definiscomme suit :

- l’erreur de puissance DeltaP [Negatif, Petit Positif, Positif, Grande Positif],

- l’etat de charge de la batterie [Vide, Moyen, Plein],

- le rapport cyclique D3 [Petit, Moyen, Grand],

- l’etat de l’interrupteur S1 et S2 [Ouvert, Ferme].

Superviseur pour la gestion de l’energie 79

Les fonctions d’appartenance correspondant a chaque ensemble flou sont les sui-vantes :

Figure 4.3 – Fonctions d’appartenance des entrees ”DeltaP” et ”SOC”

Figure 4.4 – Fonctions d’appartenance des sorties ”D3”

Pour la mise en œuvre des regles, nous avons eu recours aux regles floues de typeMamdani [Ying, 2000]. Exemple : si l’erreur entre l’energie hybride et la demandede charge est ”Grand Positif” et l’etat de charge de la batterie est ”Plein”, alors,l’interrupteur 1 devrait etre ”Ouvert” et l’interrupteur 2 devrait etre ”Ferme”. Les


differentes regles floues utilisees dans notre systeme sont resumees dans les tableaux4.1, 4.2 et 4.3.

Regles de D3 pour ajuster la tension de la batterie :

Tableau 4.1 – Regles de D3

SOCPlein Moyen Vide

Negatif Moyen Petit PetitDeltaP Positif Grand Moyen Petit

Tres Positif Grand Moyen Moyen

Regles de S1 pour l’utilisation de la batterie :

Tableau 4.2 – Regles de S1

SOCPlein Moyen Vide

Negatif Ferme Ferme OuvertDeltaP Positif Ouvert Ouvert Ouvert

Tres Positif Ouvert Ouvert Ouvert

Regles de S2 pour delester le surplus a la resistance de decharge :

Tableau 4.3 – Regles de S2

SOCPlein Moyen Vide

Negatif Ouvert Ouvert OuvertDeltaP Positif Ouvert Ouvert Ouvert

Tres Positif Ferme Ouvert Ouvert

Ici, nous avons utilise la methode d’inference max-min. Cette methode realise, auniveau de la condition de chaque regle, l’operateur OU par le calcul du maximum etl’operateur ET par le calcul du minimum. Pour la conclusion de chaque regle, l’impli-cation se fait par l’operateur ET (realise par formation du minimum). Enfin, au niveaude l’agregation des regles, l’operateur OU qui lie les differentes regles est realise par lecalcul du maximum.

Modelisation du systeme isole 81

III. Modelisation du systeme isole

Pour verifier l’efficacite de notre superviseur, il faut le tester sous plusieurs fonc-tionnements. Pour cela, nous avons developpe un systeme isole sous Matlab/Simulink,qui va nous permettre de faire varier non seulement les conditions d’exploitation maisaussi les conditions atmospheriques.

1. Systeme photovoltaıque

Le modele du systeme PV developpe dans le chapitre 2 (constitue des panneauxPV, de l’etage d’adaptation et du controleur MPPT) est utilise dans les simulations del’electrification de notre site isole comme la source de l’energie solaire. Ce systeme deproduction est connecte au bus CC avec un systeme eolien et un systeme de stockage.

2. Systeme eolien

De la meme facon, le modele du systeme eolien developpe dans le chapitre 3(constitue par la turbine eolienne, le GSAP, le pont redresseur a diodes, le convertisseurelevateur et le controleur MPPT) est utilise dans les simulations de l’electrification denotre site isole comme la source de l’energie eolienne. Ce systeme de production estconnecte au bus CC avec le systeme photovoltaıque et un systeme de stockage.

3. Systeme de stockage

Le bloc de batteries met en œuvre un modele generique parametrable dyna-mique pour representer les types les plus populaires d’accumulateurs rechargeables[Tremblay and Dessaint, 2009]. Le circuit equivalent de la batterie est indique ci-dessous :

Figure 4.5 – Modelisation de la batterie

Mode de decharge :

f1(it, i∗, Exp) = E0 −K

Q

Q− iti∗ −K Q

Q− itit (4.1)


Mode de charge :

f2(it, i∗, Exp) = E0 −K

Q

it+ 0.1Qi∗ −K Q

Q− itit+ Laplace−1(

Exp(s)

Sel(s)

1

s) (4.2)

ou :

EBatt = Tension non-lineaire (V)

E0 = Tension constante (V)

Exp(s) = Exponentiation dans le zone dynamique (V)

Sel(s) = Represente le mode de batterie. Sel(s) = 0 si la batterie decharge, Sel(s) =1 si la batterie charge.

K = Constant de polarisation (Ah−1) ou resistance de polarisation (Ohms)

i∗ = Courant dynamique de frequence basse (A)

i = Courant de la batterie (A)

it = Capacite d’extraire (Ah)

Q = Capacite maximal de la batterie (Ah)

A = Tension exponentiel (V)

B = Capacite exponentiel (Ah)−1

Les parametres du circuit equivalent peuvent etre modifies pour representer un typeparticulier de batterie, en fonction de ses caracteristiques de decharge. Une courbe dedecharge typique se decompose en trois parties, comme indique dans la figure suivante :

Figure 4.6 – Caracteristique de decharge de la batterie

La premiere partie represente la chute de tension exponentielle lorsque la batterieest chargee. Selon le type de batterie, cette zone est plus ou moins large. La secondepartie represente la charge qui peut etre extraite a partir de la batterie jusqu’a ce quela tension soit inferieure a la tension nominale de la batterie. Enfin, la troisieme partierepresente la decharge totale de la batterie, lorsque la tension chute rapidement.

La fonction de transfert Exp(s) represente le phenomene d’hysteresis pendant lescycles de charge et de decharge. La tension exponentielle augmente lorsque la batterieest en charge, quel que soit l’etat de charge de la batterie. Lorsque la batterie sedecharge, la tension exponentielle diminue immediatement :

Modelisation du systeme isole 83

Figure 4.7 – Zone d’hysteresis

4. Onduleur MLI de tension

Les onduleurs sont des convertisseurs statiques d’energie electrique du continu enalternatif. Il s’agit d’un dispositif electrique qui accomplit la fonction inverse du re-dresseur. Le decoupage de la tension continue d’entree est realise grace a des semi-conducteurs (transistors ou thyristors) utilises comme commutateurs de puissance. Ilspermettent d’obtenir une tension alternative reglable en frequence et en valeur efficacea partir d’une tension continue donnee. La forme d’onde alternative de la tension desortie est determinee par le systeme. Selon cette forme, les onduleurs sont classes parcategories, les plus utilises etant les onduleurs en modulation de la largeur d’impulsions.C’est donc le type d’onduleur choisit pour etre utilise dans la suite de cette etude.

Le schema ci-dessous est un schema fonctionnel d’un onduleur, dont chaque branchede l’onduleur est constituee de deux elements de commutation et de deux diodes enparallele. Les elements de commutation doivent pouvoir travailler en commutationforcee. Les diodes en paralleles avec les elements de commutation servent a assurer lacontinuite du courant lors d’utilisation de charge inductive (figure 4.8).

Figure 4.8 – Schema d’un onduleur


Nous supposons que la commutation des elements semi-conducteurs est instantanee.A chaque bras de l’onduleur est associe une fonction logique de connexion qui corres-pond aux signaux de commande des interrupteurs Sj(j = 1, 2, 3), definis comme suit :

- Sj = 1 si Qj ferme, Q′j ouvert

- Sj = 0 si Qj ouvert, Q′j ferme

La tension de sortie de l’onduleur est donnee par : u12u23u31

= UE

1 −1 00 1 −1−1 0 1

S1

S2

S3

(4.3)

Dans une charge triphasee symetrique avec point neutre flottant, on a :

u1 + u2 + u3 = 0 (4.4)

a l’aide des relations 4.3 et 4.4 on obtient : u1u2u3

=UE3

2 −1 −1−1 2 −1−1 −1 2

S1

S2

S3

(4.5)

Le courant a l’entree de l’onduleur est :

idII = S1i1 + S2i2 + S3i3 = 0 (4.6)

Pour avoir des tensions sinusoıdales a la sortie de l’onduleur, on utilise la techniquede modulation de largeur d’impulsions (MLI ou PWM pour Pulse Width Modulationen anglais), en appliquant aux interrupteurs des creneaux de commande de largeurvariable avec une periodicite constante. Cette strategie est obtenue par la comparaisond’un signal de la tension de reference sinusoıdale d’amplitude Vr et de frequence fr, aun signal triangulaire (porteuse) d’amplitude Vp et de frequence fp. Le taux de reglageest egal au rapport de l’amplitude de la tension de reference a la valeur crete de l’ondede modulation. La sortie du comparateur permet, par l’intermediaire de transistors depuissance, le pilotage d’une phase de l’onduleur. Les autres phases sont pilotees par desensembles identiques, dephasees de 120 . Le principe de cette commande est illustresur la figure 4.9.

Dans cette technique la frequence de commutation est fixe, le reglage s’effectue parvariation du rapport cyclique des signaux de commande. La commande de l’onduleurpar cette technique permet de generer, par alternance de la tension alternative, une ten-sion composee de plusieurs creneaux de largeurs variables. Elle permet ainsi, d’obtenirun fondamental de tension variable en amplitude et en frequence [Pinard, 2007].

La technique MLI est caracterisee par :

- l’indice de modulation m qui represente le rapport entre la frequence de la porteusede celle de la reference (modulante) m = fp

fr,

- l’indice d’amplitude r qui represente le rapport entre l’amplitude de la referenceet celle de la porteuse r = Vp

Vr.


Figure 4.9 – La modulation de largeur d’impulsions

IV. Simulation et resultats

Le systeme decrit dans la section precedente est mis en œuvre dans Matlab Simulink(figure 4.10).

Figure 4.10 – Modele de simulation dans Simulink Matlab


Les parametres du panneau photovoltaıque utilise sont resumes dans le tableau 4.4.

Tableau 4.4 – Parametres du panneau PV utilise

Parametres Valeurs

Courant de court-circuit d’un module a 1000W/m2 1 ATension de circuit ouvert d’un module a 1000W/m2 19.44 VTension optimale d’un module a 1000W/m2 15.12 VCourant optimal d’un module a 1000W/m2 0.902 ANombre de modules en serie Ns 20Nombre de modules en parallele Np 20

Les courbes caracteristiques V − I et V − P du panneau utilise pour differentesvaleurs d’ensoleillement a 25oC sont donnees par la figure 4.11.

Figure 4.11 – Les courbes caracteristiques V-I et V-P du panneau utilise

Les parametres du GSAP utilise sont resumes dans le tableau 4.5.


Tableau 4.5 – Parametres du GSAP utilise

Parametres Valeurs

Resistance de phase du stator 0.085 ΩInductances 0.00095 HFlux cree par aimants 0.192 V.sConstante de tension 139.2998 Vpeak−ligne/krpmConstante de couple 1.152 N.m/ApeakInertie 0.008 J kg.m2

Coefficient de frottement 0.001147 F(N.m.s)Nombre de paire de poles 4

Les courbes caracteristiques de l’eolienne utilisee pour differentes vitesses de ventsont donnees par la figure 4.12.

Figure 4.12 – Les courbes caracteristiques Pm(ω) pour differentes vitesses de vent

Les parametres de la batterie utilisee sont resumes dans le tableau 4.6.

Tableau 4.6 – Parametres de la batterie utilise

Parametres Valeurs

Capacite nominal 100 AhTension nominale 610 VCourant de decharge nominal 2 ACapacite maximal 10.4 AhResistance interne 0.61 ΩTension exponentielle 621 VCapacite exponentiel 0.003 Ah


1. Conditions initiales

Nous supposons que l’etat de charge de la batterie est de 90% (Plein) pour pouvoirverifier tous les cas de fonctionnement. La charge, la vitesse de vent et l’ensoleillementsont variables pour tester le fonctionnement des controleurs proposes dans diversesconditions climatiques (figures 4.13).

Figure 4.13 – Variations de la vitesse du vent, de l’ensoleillement et de la charge


2. Resultats

On peut voir que la tension de sortie du panneau photovoltaıque est bien commandeepour suivre la valeur optimale selon la variation de l’ensoleillement et de la charge, alorsle panneau produit toujours une puissance maximale dans toutes les conditions. Notrecontroleur a bien optimise la production du systeme photovoltaıque (figure 4.14).

Figure 4.14 – Tension du panneau PV et rapport cyclique D1

Zoom sur la tension du panneau :

Figure 4.15 – Zoom sur tension du panneau PV


La puissance du panneau est toujours maximale :

Figure 4.16 – Puissance du panneau PV et les zooms


De meme, le controleur de poursuite du PPM de l’eolienne a bien fonctionne pourextraire la puissance maximale en gardant la vitesse du rotor a ses valeurs optimalesselon les variations de vent. Alors on peut dire que le systeme eolien est bien commandepour extraire une puissance maximale que possible de vent (figure 4.17).

Figure 4.17 – Vitesses du rotor et rapport cyclique D2

Zoom sur la vitesse :

Figure 4.18 – Zoom sur la vitesse


Puissance de l’eolienne :

Figure 4.19 – Puissance de l’eolienne et les zooms


La valeur D3 est controlee pour assurer le bon fonctionnement du controleur de lapoursuite du PPM de l’eolienne et aussi la tension appliquee a la batterie.


Jusqu’a la 90eme secondes, les conditions climatiques sont bonnes, alors toutes lesenergies produites sont transferees a la charge. La batterie est dechargee (S1 = 1) parceque la demande de charge depasse la puissance renouvelable, et quand cette puissanceest suffisante, la batterie sera desactivee (S1 = 0) afin d’utiliser toute la puissancerenouvelable produite (figure 4.21).

Figure 4.21 – Interrupteur S1 et puissance de la batterie


De la 90eme secondes a la 100eme secondes, la vitesse de vent augmente, en memetemps la demande de charge diminue, le surplus devient trop grand (DeltaP = 3.5kW ),alors pour eviter le degagement gazeux de la batterie, la resistance de delestage estenclenchee (S2 = 1) pour dissiper le surplus d’energie (figure 4.22).

Figure 4.22 – Interrupteur S2

L’energie produite est entierement fournie a la charge avant d’utiliser la batteriecomme complement. La demande de charge est toujours respectee malgre les conditionsclimatiques (figure 4.23).

Figure 4.23 – Puissance renouvelable, puissance de la batterie et puissance demandee

La qualite de tension est toujours respectee (f = 50Hz, V = 380V (1pu)) dans tousles conditions climatiques et d’exploitation (figure 4.25).

Conclusion 95

Figure 4.24 – Tension fournie a la charge

Figure 4.25 – Tension fournie a la charge en zoom

Ces simulations montrent que notre controleur presente de bons resultats. Il a as-sure la demande de charge, malgre les variations de conditions climatiques, avec unebonne puissance tout en respectant les processus de chargement de la batterie. D’autressimulations avec d’autres variations plus ou moins importantes ont permis de verifierces bons resultats.

V. Conclusion

Dans ce chapitre, nous avons presente un systeme de production d’electricite pourles sites qui ne peuvent pas etre connectes au reseau. En effet, nous avons utilise unbus continu qui recoit l’energie produite par les sources photovoltaıque et eolienne puislivree au consommateur a l’aide d’un onduleur. Un des avantages de cette structureest l’utilisation des batteries necessaires en cas de besoin pour compenser un eventuelmanque de puissance. Nous avons egalement utilise une resistance de delestage qui per-met de dissiper le surplus d’energie en cas de baisse de demande et de batteries pleines.Pour avoir un comportement optimale de l’installation d’un point de vue flux de puis-


sance, nous avons developpe un superviseur flou. Celui-ci permet une gestion efficaceet rationnelle de l’energie pour satisfaire les besoins du consommateur en energie. Plu-sieurs resultats de simulation ont ete presentes afin d’illustrer les performances de notreinstallation en presence de changements climatiques et de variations de la consomma-tion d’energie.

Conclusion et perspectives

Dans le contexte mondial pour reduire l’emission de gaz a effet de serre etl’echauffement de la planete, le besoin de l’energie renouvelable est indispensable. Laproduction de l’energie renouvelable, surtout eolienne et photovoltaıque, est de plusen plus importante et alors de nouvelles constructions apparaissent. Cette evolutiondynamique est surtout visible dans le domaine du site isole grace au developpementdes nouvelles technologies dans le champ de l’electronique de puissance.

Notre etude s’est focalisee sur l’electrification d’un site autonome de petite puis-sance, secteur dans lequel la rentabilite est loin d’etre acquise et qui necessite doncun degre d’optimisation de l’efficacite energetique. Celui-ci impose simultanement desimplifier le fonctionnement et de diminuer le cout d’installation du systeme. Dans cecontexte, nous avons prefere a une optimisation a deux niveaux : en premier rang c’estl’optimisation de la production de ces sources d’energie, c’est-a-dire extraire une puis-sance maximale dans toutes les conditions de fonctionnement. Les aspects techniques(equipements simples, minimum de capteurs, simplicite de controle...) sont une prio-rite. Le deuxieme niveau concerne la gestion optimale de cette puissance maximale pourassurer non seulement la demande du consommateur mais aussi prendre en compte laduree de vie des composants.

Concernant le premier niveau d’optimisation, pour notre systeme photovoltaıque,nous avons propose une commande de poursuite du point de puissance maximale encombinant la simplicite de la recherche extreme (methode Perturbe & Observe) et laflexibilite de la logique floue. Le grand avantage de cette combinaison est que notrecontroleur atteint rapidement le point de fonctionnement optimal sans connaissance dela courbe de puissance ni une modelisation precise du panneau photovoltaıque, et memesans mesure des conditions atmospheriques (ensoleillement, temperature ambiante). Ils’adapte a toutes conditions de fonctionnement presque instantanement en prenant encompte les incertitudes du systeme. Sa structure est tres simple avec un capteur decourant et celui de tension. En consequence, le panneau extrait toujours la puissancemaximale quelques soient les variations de condition climatique et/ou d’exploitation.Nous avons developpe des modeles numeriques de simulation pour valider l’efficacitede notre approche.

Pour notre systeme eolien, nous avons propose une structure qui comprend lesdispositifs d’electronique de puissance simples pour fonctionner a vitesse variable etoptimiser le rendement energetique (un pont redresseur de diodes associe a un conver-tisseur commandable). Apres une analyse mathematique, nous avons montre que lamethode de la poursuite du point de puissance maximale du systeme photovoltaıquedeveloppee peut etre appliquee dans le cas d’une eolienne couplee a un generateur aaimant permanent. Ainsi nous pouvons beneficier de tous les avantages de la methodeexistante : sa rapidite, sa simplicite et sa robustesse. Notre controleur propose de la

98 CONCLUSION ET PERSPECTIVES

poursuite du point de puissance maximale du systeme eolien est donc independant de lacourbe de puissance de l’eolienne et des conditions meteorologiques. Au lieu d’un cap-teur de vitesse, nous n’avons besoin que d’un capteur de tension qui est moins cher etplus stable. Avec cette nouvelle structure de commande, l’eolienne produit la puissancemaximale dans toutes les conditions climatiques et/ou d’exploitation avec precision etrobustesse. Les resultats de simulation sont presentes pour illustrer l’efficacite de cetteapproche.

Dans un site isole, le besoin de continuite du service en presence de la disponibiliteintermittente des sources renouvelables entraıne l’utilisation indispensable d’un systemede stockage. Dans ce contexte, la batterie plomb-acide est la solution la plus utiliseegrace au bon rapport prix/qualite. Pourtant, la mauvaise utilisation de la batteriepeut entraıner sa defaillance, cela implique le besoin d’entretenir et remplacer souventcelle-ci. Le cout d’installation et de fonctionnement du systeme est donc augmente.Alors, il faut non seulement avoir un schema d’exploitation flexible des sources, maisaussi prendre en compte la duree de vie des composants, surtout de la batterie. Dece fait, pour le deuxieme niveau d’optimisation, nous avons propose un superviseur dela gestion de l’energie, non seulement pour fournir aux clients de l’energie electriquede facon continue, sous forme de tensions parfaitement sinusoıdale avec des valeursd’amplitude et de frequence preetablies, mais aussi pour prolonger la duree de vie dela batterie en limitant son taux de charge/decharge et evitant la sulfatation et/ou ledegagement gazeux. Plusieurs simulations ont ete effectuees en considerant differentscas d’exploitation et de conditions climatiques pour montrer l’interet et l’efficacite dusuperviseur flou propose.

Comme suite a ces travaux diverses perspectives serons etudiees. La premiere a courtterme concerne l’implementation en temps reel du systeme pour valider ces travaux etl’efficacite de ces commandes. La plate-forme experimentale est en cours d’elaboration.A moyen terme, la prise en compte des commutations nombreuses et la variations desparametres des convertisseurs statiques est une autre piste de recherche. Ainsi, il seraitinteressant d’exploiter les travaux de these de Monsieur Kamel Guesmi [Guesmi, 2006]soutenue dans notre equipe pour explorer les differents phenomenes chaotiques pouvantentacher le bon fonctionnement du systeme et developper une methode systematiquepour l’elaboration des controleurs flous. Par ailleurs, etant donne que le systeme doitassurer une autonomie du site en energie, il est necessaire de penser a l’utilisation desconvertisseurs multicellulaires afin d’avoir la possibilite de fonctionner en mode degradedans le cas ou un etage d’un convertisseur tombe en panne alors que dans le cas actuelun tel probleme peux induire a la reduction de la production ou tout simplement al’arret de l’installation. Un autre aspect de securite est de penser a introduire unesurveillance de defauts pour les elements des cellules du systeme de stockage ou despanneaux photovoltaıques afin d’optimiser toujours la production en cas de defaillanced’une partie d’entre eux.

Liste des publications

Revues internationales avec comite de lecture

[1] Huynh Q., Nollet F., Essounbouli N. and Hamzaoui A. ”Control of Stand-AloneHybrid Wind/Photovoltaic System Using Fuzzy Logic”. International Journal of Sus-tainable Energy. (soumis)

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