Modeling and simulation of a solar power source at 3kW for a clean energy without pollution

Transcription

1 MATE Web of onference 11, 319 ( 214) DOI: 1.151/ matecconf/ Owned by the author, ublihed by EDP Science, 214 Modeling and imulation of a olar ower ource at 3kW for a clean energy without ollution Modéliation et imulation d une ource d énergie olaire à 3kW our une énergie rore an ollution M. LOUZAZNI 1, E. AROUDAM 1 H. YATIMI 1 1 Univerité Abdelmalek Eaadi, Faculté de Science, Laboratoire de Modéliation et Simulation de Sytème Mécanique, Tétouan, Maroc Abtract: The air ollution wa much wore, and it became neceary to relace the foil energy ource by the renewable energie. The caue are related to reerve that can be exhauted, to ollution and their imact on the environment. Production of toxic gae from the combution of coal for the effect of increaing the temerature of the earth. Solar energy i a clean and inexhautible excellent alternative. We rooe a modeling and imulation of a olar ytem conit of a hotovoltaic generator (PG), a boot choer, to uly a telecommunication relay tation (BTS), According to the load characteritic (I = 6A, = 48) D (3 kw). A tage adatation comoed of thi choer controlled by a PWM controller (Pule Wih Modulation) i ued to control the otimal oerating oint (MPPT) and otimize ytem erformance uing Matlab / Simulink. Keyword. Foil Energy, P Generator, choer, MPPT, MLI Réumé. La ollution de l air était beaucou lu grave, et il et devenu néceaire de remlacer le ource d énergie foile ar le énergie renouvelable. Le caue ont liée aux réerve qui euvent éuier et aux ollution et leur imact ur l environnement. La roduction de gaz toxique ar la combution du charbon our effet d augmenter la temérature de la terre. L énergie olaire et une excellente alternative non olluante et inéuiable. Dan ce travail nou rooon une modéliation et une imulation d un ytème olaire comoé d un générateur hotovoltaïque (GP), un hacheur urvolteur, our alimenter une tation relai de télécommunication (BTS), Selon le caractéritique côté charge (I=6A, =48) à courant continu (3 kw). Un étage d adatation comoé de ce hacheur commandé ar une commande MLI (Modulation de Largeur d Imulion), era utilié our contrôler le oint otimal de fonctionnement (MPPT) et our otimier le rendement du ytème ou Matlab/Simulink. Mot clé. Energie foile, Générateur Photovoltaïque, Hacheur, MPPT, MLI. 1 Introduction Deui deux iècle, le monde a exloité on énergie ratiquement et excluivement de la combution du charbon, du étrole et du gaz qui reréentent dè aujourd hui 8 % de la conommation d énergie mondiale commercialiée. Mai le charbon, étrole et gaz ont de énergie foile qui ne e renouvellent a. ette énergie qui et la caue rinciale du réchauffement climatique, contitue déormai un roblème environnemental et économique majeur qui affecte le erective du déveloement durable. L utiliation d énergie olaire our roduire de l électricité grâce à un anneau hotovoltaïque ne néceite a de combutible. Il n'y a donc aucune émiion ou roduction de gaz toxique ar la combution du charbon qui a our effet d augmenter la temérature de la terre ar effet de erre. L énergie olaire et une excellente alternative non olluante et inéuiable. De lu, il n'y a a de déchet iu de cette technique de roduction d'énergie et ne rejette a de ubtance olluante et toxique dan le ol. Dan cette étude, nou modélion et otimion un ytème comrenant un générateur hotovoltaïque relié à un convertieur urvolteur ermettant le meilleur tranfert de toute la uiance outirée du oleil et converti en électricité à une BTS an combution du charbon. Thi i an Oen Acce article ditributed under the term of the reative ommon Attribution Licene 2., which ermit unretricted ue, ditribution, and reroduction in any medium, rovided the original work i roerly cited. Article available at htt:// or htt://dx.doi.org/1.151/matecconf/

2 MATE Web of onference 2 Modéliation du ytème Le ytème étudié et l aociation d un enemble de ou-ytème interconnecté qui ont: le GP, ce modèle reréente le module olaire comme ource de courant en arallèle avec une diode, une réitance montée en érie reréente la réitance de contact, une autre en arallèle dite la réitance en dérivation ou hunt, reréente le courant de fuite, un quadriôle d adatation, qui et un convertieur d énergie D-D. Le convertieur D-D et commandé ar un ignal à modulation de largeur d imulion avec une tratégie de recherche du oint de uiance maximale MPPT. La commande MPPT uivre le oint de uiance maximale à chaque intant. e contrôle, agit directement ur le raort cyclique du convertieur. 2.1 Modéliation d une cellule hotovoltaïque Dan le ca idéal une cellule hotovoltaïque (P) eut être chématié ar une ource idéale de courant qui roduit un courant I h roortionnel à la uiance lumineue incidente, en arallèle avec une diode. Si l on connecte une charge réitive aux borne du GP, ce dernier y débite une art de courant I et le rete le courant I d, dan la diode. Pour un GP idéal, la tenion aux borne de la réitance et égale à celle aux borne de la diode : = d Et la caractéritique I- d une diode non linéaire et donnée ar la relation : I =I d nt d e 1 Avec : I, courant de aturation invere de la diode ; T = kt/q, otentiel thermique; q, la charge de l électron ( ) ; k, la contante de Boltzmann ( J/K) ; n, facteur d'idéalité de la diode, comri entre 1 à 2; T, la temérature de la jonction en K ; I d, le courant circulant dan la diode ; I, le courant de ortie, et la tenion de olariation. Le courant débité erait à : d nt I = I h Id = I h I e 1 (2) Dan le ca réel en modélie la erte de tenion et le courant de fuite ar deux réitance en arallèle R et en érie R. Le modèle de la cellule et reréenté dan la figure 1 : (1) I= Ih Id I (3) d + IR. I = = R R ourant on am ourant on am W/ 8 W/S 6 W/S 4 W/S 2 W/S I. R. +. n IR T I = I 1 h I e R Dan le ca idéal, on a R tend ver et R à l infini. Et dan le ca réel, ce réitance donnent une évaluation de imerfection de la diode ; on conidère que la réitance R réente une faible valeur. A l aide d une méthode numérique (la méthode de Newton-Rahon ar exemle) et ou illumination, le ente de la caractéritique I- ont calculé en circuit ouvert I= et à court circuit = et donnent reectivement le valeur invere de réitance érie et hunt. 2.2 Influence de l éclairement et de la temérature ur la caractéritique I () La réone d une cellule P à différent niveau d énergie lumineux figure (2). Montre que l irradiation a un effet imortant ur le courant du circuit-ouvert. 'et-à-dire que la courbe de la caractéritique I- et relativement horizontal, tandi que l effet ur la tenion en circuitouvert, c et-à-dire la ente de la courbe I- et relativement vertical, qui et aez faible. En ce qui concerne la uiance maximale d une cellule hotovoltaïque, lorque l éclairement et lu élevé, la cellule génère lu de uiance. La temérature a un effet trè imortant ur la tenion de circuit ouvert et un effet non remarquable ur le courant de court circuit de la cellule figure (3). (4) (5) Fig.2. aractéritique courant-tenion our différente valeur du rayonnement Fig.1. Modèle de la cellule P avec rie en comte de erte en tenion et courant de fuite D arè la loi de Kirchhofff, On a : Fig. 3. aractéritique courant-tenion our différente de la temérature

3 MSS Modéliation du générateur hotovoltaïque A caue de ont faible éaieur, une cellule hotovoltaïque roduit une trè faible uiance électrique de l ordre 1 à 3 W. Aini our accroître la uiance, on aemble ce cellule oit en érie, oit en arallèle our formé un module hotovoltaïque et atteindre la uiance déirée our alimenter une BTS. Une aociation de cellule en érie ermet d augmenter la tenion du GP, Tandi que le connexion de N en arallèle ermet d augmenté le courant de ortie du générateur. Le chéma équivalent du générateur hotovoltaïque devient: 2.4 Modéliation du hacheur urvolteur Un convertieur continu/continu et un hacheur à tranitor de tye arallèle urvolteur de tenion utilié our augmenter la tenion de d ortie ar raort à la ource, dont le chéma de rincie et reréenté dan la figure (6). Fig. 6. Modèle d un hacheur D/D Fig. 4. Modèle du générateur hotovoltaïque L'équation de la borne our le courant et la tenion du réeau et la uivante : N. GP+N.R.IGP N.N P. N. T GP + N.R.I I GP = NIh -NI e -1- N.R En fait, le rendement hotovoltaïque et enible à une faible variation de la réitance R, mai inenible à la variation de R, our un module P ou un générateur, la réitance érie et aaremment imortant et la réitance arallèle tend ver l infini et remlacer ar un circuit ouvert [6]. L équation mathématique du modèle généralié eut être écrite comme : N. GP+N.R.IGP N.N P. T I GP = NIh -NI e -1 D où : NI h-i GP N =N nln 1+ - R I NI N GP t GP GP En introduiant cette équation dan Matlab/Simulink our réalier le modèle du GP. (6) (7) (8) Il et dimenionné our unee uiance de 3 kw qui correond aux valeur nominale I = 17 A, = 17,64, côté générateur, et =5, I=6A, côté charge. Son raort de tranformation et le l raort cyclique (raort du tem endant lequel le tranitor et fermé, à la ériode de hachage tel que < <<1) : et 1 = 1-. Le hacheur oblige le GP à fonctionner à uiance maximale quel que oit l éclairement, et de le tranférer à la charge our un raort cyclique bien défini. e hacheur comorte 4 comoant : Une inductance L, une diode, une caacité et un interruteur qui rend deux état, S=1 et S=. Lorque l interruteur S et fermé, la diode D et olariée en invere la charge et donc iolée. La ource fournie de l énergie à l inductance. Si l interruteur S et ouvert, l étage de ortie reçoit de l énergie de la ource et de l inductance d où une augmentation de la tenion de ortie. Dan le condition idéale, tou le comoant ont idéal, le hacheur urvolteur eut être modélié en utiliant le équation différentielle ordinaire uivante : d R dil L =i -( 1-) c c c = 1- il - -i Et = Ri. On ajoute au modèle récédent une réitance R L interne à l inductance et une réitance R c interne à la caacité, donc le équation (11) et (12) deviennent : (9) (1) Fig. 5. Modèle Simulink du générateur hotovoltaïque dc = ( 1-) il- -i R dil L = -( 1-) -R i. d = +R. i L L En inérant 13dan 11 : (11) (12) (13)

4 MATE Web of onference L exreion de dan l équation 13 devient : RR R RR = + 1- i - - i L R+R R+R R+R (14) anneau. Si la valeur de la uiance actuelle P(k) du anneau et uérieure à la valeur récédente P(k-1) alor on garde la même direction de erturbation récédente inon on invere la erturbation du cycle récédent. Sont modèle ou Simulink et donner ar la figure 8. En déveloent l exreion de dan l équation 15 devient : RR R RR =+ 1-i - - i L R+R R+R R+R (15) En déveloent l exreion de on obtient : R RR = + ( 1-) i -i R+R R+R L L exreion 11 devient : 1 il = i ( 1 ) RLiL L (16) (17) Fig. 8. Modèle Simulink de l algorithme P&O 3.2 ommande ar modulation de largeur d imulion (MLI) A l aide de deux équation 16 et 17, on définit le modèle du hacheur urvolteur (Boot) D-D réel, figure 7. La commande ar MLI conite à découer la tenion de ortie générée ar le convertieur en une érie de motif élémentaire de ériode trè faible, et de raort cyclique variable dan le tem. L évolution temorelle du raort cyclique de chaque interruteur et alor déterminée ar un ignal modulant que l on choiit en général inuoïdal. Le ordre de commande de chaque cellule ont généré ar l interection entre une orteue triangulaire et le ignal modulant. Selon la tratégie adotée, ce dernier eut être échantillonné en ynchronime avec la orteue triangulaire, ou comaré directement à celle-ci. haque interruteur commute à une fréquence imoée ar celle de la orteue [12]. Fig.7. Modèle Simulink du Hacheur Boot réel 3 Modéliation de commande Algorithme de commande «erturbation & obervation» imle Le comortement d un GP et non linéaire car on uiance déend de la temérature et de l éclairement. Dan le ca où le GP alimente un réeau, il travail au oint de uiance maximale MPPT afin de maximier le rendement. e MPPT varie toujour en fonction de l irradiation, de la temérature,...on doit donc utilier un algorithme dite Perturbation & Obervation ermettant de retrouver ce oint en tem réel [6]. et l algorithme baé ur la erturbation du ytème ar l augmentation ou la diminution de i où en agiant directement ur le raort cyclique du convertieur D-D, ui l obervation de l effet ur la uiance de ortie du Fig. 9. Modèle Simulink de la commande MLI 4 Réultat Pour réalier la imulation en conidérant la BTS comme une charge réitive. La figure (1) montre l évolution du oint de fonctionnement ur la caractéritique Puiance- Tenion our différent niveaux d enoleillement, et la figure (11) la caractéritique Puiance-Tenion our différente temérature. Pour un raort cyclique de.5, on à une uiance maximale, et la figure (12) montre la relation entre la uiance de ortie du convertieur et on raort cyclique. La figure (13) montre que la uiance de ortie du convertieur et égale à la charge de la BTS

5 MSS 213 Puiance onn watt Puiance onn watt W/S 8 W/S 6 W/S 4 W/S 2 W/S Fig.1. aractéritique Puiance-tenion our différent niveaux d enoleillement Fig.11.aractéritique Puiance- tenion our différente temérature Fig.12. ourbe de Puiance en fonction du raort Fig. 13. aractéritique I- à la ortie du convertieur 5. oncluion La conommation d énergie foile et une de rinciale ource de la dégradation de l'environnement. Le hotovoltaïque eut être utilié dan divere alication. e genre d alication eut être oé en toiture de maion rivée (en moyenne 3 kw). On trouve aui de ytème de taille lu élevée, ouvant atteindre luieur mégawatt. Et our avoir le meilleur tranfert de uiance entre le générateur hotovoltaïque GP et la charge, nou avon modélié l enemble de la chaîne de converion ou Matlab et l algorithme de recherche du oint de uiance maximale (MPPT) a été conçu ui imulé. Il force le générateur P à travailler à on Maximum Power Point (MPPT), induiant une amélioration globale du rendement du ytème de converion électrique. Bien que atifaiante ar raort à une connexion directe GP-BTS, une amélioration de l algorithme P&O eut avérer néceaire dan le ca de changement bruque de temérature et d enoleillement. Reference [1] D.Saheb-Koua, M.Haddadi, Modéliation d un générateur hotovoltaïque dan l environnement, 4th International onference on omuter Integrated Manufacturing IP, 3-4 (27). [2] R. henni, L. Zarour, E. Matagne T. Kerbache, Otimiation d un ytème de omage hotovoltaïque, Science & Technologie B N 26, décembre (27) [3] A. Meflah T. Allaoui, ommande d une chaîne de omage hotovoltaïque au fil du oleil, Revue de Energie Renouvelable ol. 15 N 3 (212) [4] R. henni, M. Makhlouf, T. Kerbache, A. Bouzid, A detailed modeling method for hotovoltaic cell Energy, ol. 32, , (27). [5] Soltane BELAKEHAL, oncetion & commande de machine à aimant ermanent dédié aux énergie renouvelable, Thèe, Faculté de cience de ontantine, (21). [6]. Boivineau, M. Nougaret et J. Perard, otimiation du fonctionnement d un générateur hotovoltaïque : Aerviement extrémal de la uiance, Revue Phy. Al.ol , (1982). [7] Thi Minh hau LE, oulage Onduleur Photovoltaïque et Réeau, aect contrôle/commande et rejet de erturbation, Thèe, univerité De Groneble, (212). [8] M.Hatti, IEEE Member, ontrôleur Flou our la Pouruite du Point de Puiance Maximum d un Sytème Photovoltaïque, JGE'8 LYON, 16 et 17 décembre (28). [9] MartinAIMÉ, Évaluation et otimiation de la bande aante de convertieur tatique Alication aux nouvelle tructure multicellulaire, Thèe Ecole entrale de Lille, (23)