THESE DOCTORAT EN SCIENCES

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1 REPUBIQUE AGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPUAIRE MINISTERE DE ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE A RECHERCHE SCIENTIFIQUE UNIERSITE FERHAT ABBAS - SETIF 1 UFAS(AGERIE) THESE Présentée à la Faculté de Technologe Département d Electrotechnque Pour l obtenton du dplôme de DOCTORAT EN SCIENCES Opton: Electrotechnque Par M r : BEKAID ABDEHAKIM THEME Concepton et mplémentaton d une commande MPPT de haute performance pour une chane de converson photovoltaïque autonome Soutenue le : 19/10/2015 devant un Jury composé de: Pr. RAHMANI azhar Prof à l unversté Sétf 1 Présdent Pr. GHERBI Ahmed Prof à l unversté Sétf 1 Rapporteur Dr. BOUAFIA Abdelouahab M.C.A à l unversté Sétf 1 Examnateur Pr. AZOUI Boubakeur Prof à l unversté de Batna Examnateur Pr. BERRAH Smal Prof à l unversté de Bejaa Examnateur Dr. KESSA Abdelhalm M.C.A à l unversté de Bordj Bou Arrerdj Examnateur

2 Remercements es travaux de recherche présentés dans cette thèse ont été effectués en collaboraton entre deux laboratores de recherches, le aboratore d Automatque de Sétf (AS), Algére, et le laboratore d nformatque et d automatque pour les systèmes (IAS) de l unversté de Poters, France. Je souhate exprmer mes remercements à Monseur Ahmed GHERBI, Professeur au département d électrotechnque de l'unversté de Sétf 1, d'avor accepté la drecton de ma thèse. Je tens à le remercer plus partculèrement pour sa compétence, son expérence, ses dées, ses suggestons, sa dsponblté, son ouverture d'esprt, et tout son souten qu l m a apporté. Je tens à exprmer toute ma reconnassance à Monseur Jean Paul GAUBERT, Professeur à l'unversté de Poters, France, pour l accuel chaleureux durant mes stages au sen du IAS. Je lu exprme toute ma grattude pour sa compétence, son expérence, son souten ncondtonnel et ses qualtés humanes. Je sus également très honoré que, Monseur azhar RAHMANI, Professeur à l'unversté de Sétf 1, pour avor accepté d être présdent du jury de ma soutenance. Je remerce également tous les membres du jury pour l ntérêt qu ls ont porté à mon traval : Dr. BOUAFIA Abdelouahab MCA à l'unversté de Sétf 1, Pr. AZOUI Boubakeur Professeur à l'unversté de Batna, Pr. BERRAH Smal Professeur à l'unversté de Béjaa, Dr. KESSA Abdelhalm MCA à l'unversté de Bordj Bou Arrérdj, Enfn, je réserve une place toute partculère à mes parents, ma femme et mes enfants pour leurs soutens ncondtonnels tout au long de mon traval, sans lesquels ren n'aurat été possble. Fnalement, je tens à remercer tous ceux qu ont contrbué de près ou de lon à l achèvement de ce traval. Sétf, le 20 /05 /2015 A. BEKAID

3 SOMMAIRE Sommare INTRODUCTION GENERAE... 1 Chaptre GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Introducton Cellule photovoltaïque Effet photovoltaïque Technologes des cellules P Modélsaton de la cellule P Influence des résstances sére et parallèle sur la cellule P Influence de l éclarement sur la cellule P Influence de la température sur la cellule P Influence smultanée de l éclarement et de la température sur la cellule P Générateur photovoltaïque GP Concepton et caractérstques du GP Effet d éclarement non homogène sur le GP : Ombrage partel Protecton des panneaux solares Installaton des panneaux solares Chaînes de converson photovoltaïque Systèmes P autonomes Systèmes P connectés aux réseaux Avantages et Inconvénents de l énerge P Optmsaton du rendement énergétque du système P Rendement de la chaîne de pussance Concluson Chaptre INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Introducton Connexon drecte générateur photovoltaïque-charge Connexon ndrecte GP-charge par le bas d un étage d adaptaton:... 30

4 SOMMAIRE 2.4. Etages d adaptatons Convertsseur Boost Convertsseur Buck Convertsseur Buck-Boost Convertsseur Cuk Convertsseur Sepc Récaptulatf d analyse et chox du convertsseur Etat de l art sur les technques MPPT dans les applcatons photovoltaïques Premers types de commande MPPT Méthode basée sur la mesure de la tenson en crcut ouvert Méthode basée sur la mesure du courant en court-crcut Algorthme de perturbaton et observaton Algorthme Hll Clmbng Algorthme d'ncrémentaton de la conductance Commande MPPT par la logque floue Commande P&O amélorée Commande IncCond amélorée Concluson Chaptre DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Introducton Système à structure varable Commande par mode de glssement Prncpe Objectf de la commande par mode glssant Chox de la surface de glssement Condton d exstence du glssement Méthode de la commande équvalente Etude d une structure P basée sur un convertsseur de type Buck-Boost Descrpton de la structure P à base d un convertsseur Buck-Boost Modèle mathématque et caractérstques du GP Modélsaton du convertsseur Buck-Boost o de commande basée sur le mode glssant érfcaton de l exstence du mode glssant Applcaton de la technque mode de glssement équvalente Analyse de la méthode proposée : Améloraton de la technque SMC Prncpe Résultats de smulaton... 75

5 SOMMAIRE 3.7. Concluson Chaptre IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Introducton Etude d une structure P basée sur un convertsseur de type Boost Descrpton de la structure P à base d un convertsseur Boost Modélsaton du convertsseur Boost Calcul de la commande équvalente Résultats de smulaton Banc d essa et résultats expérmentaux Descrptf du banc d essa Implémentaton des technques MPPT Emulateur photovoltaïque Résultats des essas pratques Concluson CONCUSIONS GENERAES ET PERSPECTIES...99

6 SOMMAIRE ste des fgures Fgure 1.1. Fonctonnement d une cellule solare photovoltaïque... 6 Fgure 1.2. Schéma équvalent d une cellule P... 8 Fgure 1.3. Schéma équvalent d une photople déale :... 8 Fgure 1.4. Consttuton de la caractérstque d une photople... 9 Fgure 1.5. Caractérstque courant-tenson d une photople Fgure 1.6. Caractérstque pussance-tenson d une photople Fgure 1.7. Influence de la résstance sére sur les caractérstques P Fgure 1.8. Influence de la résstance shunt sur les caractérstques P Fgure 1.9. Dépendance des caractérstques de la cellule P de l éclarement Fgure Dépendance des caractérstques de la cellule P de la température Fgure Influence smultanée de G et T sur les caractérstques de la cellule P Fgure Consttuton d un générateur photovoltaïque Fgure Caractérstques courant-tenson pour dfférentes assemblage de modules P Fgure Caractérstques courant-tenson pour Np Ns modules Fgure Caractérstques pussance-tenson pour Np Nsmodules Fgure Synoptque de smulaton de l effet d ombrage Fgure Influence de l éclarement non homogène sur les caractérstques du GP Fgure Caractérstque du GP pour un éclarement homogène Fgure Dodes de protecton des modules Fgure Intégraton du photovoltaïque dans le bâtment [66] Fgure Couplage drect GP-charge Fgure Système P autonome almentant des charges DC et AC (étage 1 est DC/AC) Fgure Système P autonome almentant des charges DC et AC (étage 1 est DC/DC) Fgure Système P raccordé au réseau central Fgure Système P raccordé au réseau sans stockage d énerge Fgure Système P raccordé au réseau avec stockage d énerge Fgure Connexon GP-charge à travers un étage d adaptaton Fgure Connexon GP-charge à travers un convertsseur DC/DC Fgure 2.1. Connexon drecte GP-Charge par le bas d une dode ant-retour Fgure 2.2. Ponts de fonctonnement d un GP en connexon drecte pour dfférentes charges DC Fgure 2.3. Prncpe de l adaptaton d mpédance par MPPT... 31

7 SOMMAIRE Fgure 2.4. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Boost Fgure 2.5. Crcut équvalent du Boost quand l nterrupteur est fermé Fgure 2.6. Crcut équvalent du Boost quand l nterrupteur est ouvert Fgure 2.7. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Buck Fgure 2.8. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Buck-Boost Fgure 2.9. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Cuk Fgure Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Sepc Fgure Evoluton du gan en tenson en foncton du rapport cyclque des convertsseurs Fgure Evoluton du gan en tenson en tenant compte des éléments parastes des convertsseurs Fgure Organgramme de la premère commande MPPT Fgure Caractérstque de fonctonnement de la méthode P&O Fgure Organgramme de la méthode P&O Fgure Prncpe de la méthode HC Fgure Algorthme de la méthode HC Fgure Caractérstque de fonctonnement de la méthode IncCond Fgure Organgramme de la méthode IncCond Fgure Structure de base de la commande floue Fgure Dvergence de P&O et IncCond classques lors des changements brusques de l éclarement Fgure Organgramme de P&O modfé Fgure Organgramme d IncCond modfé Fgure 3.1. Confguraton par commutaton au nveau de la contre-réacton d'état Fgure 3.2. Confguraton par commutaton au nveau de l'organe de Commande Fgure 3.3. Prncpe de la commande par mode glssant Fgure 3.4. Commande équvalente comme valeur moyenne de commutaton entre u et u Fgure 3.5 Représentaton de la foncton sgne Fgure 3.6. Chane de converson P à base d un convertsseur de type Buck-Boost Fgure 3.7. Crcut équvalent d un GP Fgure 3.8. Schéma bloc du GP Fgure 3.9. Caractérstques du module MSX 60 pour dfférents éclarements, T 25 C Fgure Caractérstques du module MSX 60 pour dfférentes températures, G 1000 W / m Fgure e Buck-Boost comme nterface entre un GP et une charge Fgure Convertsseur Buck-Boost durant l état «on» Fgure Convertsseur Buck-Boost durant l état «off» Fgure Caractérstque pussance-tenson typque... 68

8 SOMMAIRE Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous un éclarement varable Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous une température varable Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous un changement de charge Fgure Dfférents cas de postonnement du PF dans la caractérstque P- du GP : Fgure Profl d rradaton trapézoïdal Fgure Comparason de la pussance P entre la méthode proposée et la méthode classque Fgure Comparason de la surface de glssement entre les méthodes proposée et classque Fgure Résultats de smulaton en utlsant la méthode proposée Fgure Profl de température trapézoïdal Fgure Comparason de la pussance P entre les méthodes proposée et classque Fgure Comparason de la surface de glssement entre les méthodes proposée et classque Fgure Résultats de smulaton de la méthode proposée pour un profl de température trapézoïdal Fgure 4.1. Chane de converson P à base d un convertsseur de type Boost Fgure 4.2. Schéma électrque de base du convertsseur Boost Fgure 4.3. Comparason de la pussance P entre IncCond et IncCond modfée Fgure 4.4. Comparason de la pussance P entre SMC et SMC amélorée Fgure 4.5. Comparason de la pussance P entre SMC amélorée et IncCond modfée Fgure 4.6. Comparason des erreurs de SMC amélorée et IncCond modfée Fgure 4.7. Résultats de smulaton d IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure 4.8. Résultats de smulaton de la méthode proposée durant un changement d rradaton Fgure 4.9. Photographe du banc d essa expérmental Fgure Synoptque d mplémentaton de la technque MPPT proposée Fgure Structure de contrôle en temps réel Fgure Confguraton nterne de la carte dspace DS Fgure Exemple d écran du logcel Control Desk Fgure Schéma fonctonnel de l émulateur Fgure Modèle Smulnk du module P Fgure Résultats expérmentaux d IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Résultats expérmentaux de la méthode proposée durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Mesure expérmental du rapport cyclque du convertsseur pour l algorthme proposé Fgure Mesure expérmentale du sgnal MI de l IGBT en utlsant l algorthme proposé Fgure Mesure expérmentale de la poursute du PPM en utlsant l algorthme proposé Fgure Résultats expérmentaux pour 5 modules P avec l algorthme proposé Fgure Résultats expérmentaux d IncCond modfé sous une crossance brusque d rradaton Fgure Résultats expérmentaux de l algorthme proposé sous une crossance brusque d rradaton... 98

9 SOMMAIRE ste des tableaux Tableau 2.1. Récaptulatf des caractérstques des convertsseurs contnu-contnu Tableau 2.2. Prncpe de l algorthme P&O Tableau 2.3. Exemple d une table de vérté pour une commande logque floue Tableau 3.1. Caractérstques Prncpales du Module MSX x

10 ISTES DES ACRONYMES ET SYMBOES stes des Acronymes et Symboles Acronymes AC AM DC/AC DC/DC GP HC IncCond MI PPM DC MPPT P&O PF PI P SMC SS STC Wc I- P- Alternatng current Ar masse Converson contnu/alternatf Converson contnu/contnu Générateurs photovoltaïques Hll clmbng Incrémentaton de conductance Modulaton de largeurs d mpulsons Pont de pussance maxmale Drect current Maxmum Power Pont Trackng Perturbaton et observaton Pont de fonctonnement Régulateur proportonnel ntégral Photovoltaïque Sldng Mode Control Système à structure varable Standard test condtons Watt-crête Courant-tenson Pussance-tenson Symboles E Changement d erreur Changement du Rapport cyclque du convertsseur q Charge élémentare de l électron Coeffcent de température de la tenson en crcut ouvert k v k K K u n u k p eq b opt d Coeffcent de température du courant de court-crcut Coeffcent emprque Coeffcent ntégral du régulateur Coeffcent proportonnel du régulateur Commande dscontnue Commande équvalente Constante de Boltzmann Courant optmale de la cellule Courant dans la dode Courant de la cellule P I sc s Courant de court-crcut de la cellule Courant de saturaton de la dode x

11 ISTES DES ACRONYMES ET SYMBOES I Courant du GP Io, o Courant et tenson du bus contnu I Courant maxmale dans l nductance max I Courant mnmale dans l nductance mn I Courant optmal du GP opt G E a FF sgn Z d, C, C s 1 2 Eclarement Erreur Facteur d déalté de la joncton facteur de forme de la cellule P Foncton de YAPUNO Foncton sgne Impédance dfférentelle Inductance, condensateur d entrée, condensateur de sorte ondulaton de la tenson de sorte ondulaton du courant dans l nductance f a fréquence de découpage u o de commande N Nombre de branches en parallèle n s N T d ph p s Nombre de cellules en sére Nombre de modules en sére Opérateur gradent Pérode de découpage Photo courant v t P e p n max Potentel thermodynamque Pussance effectvement délvrée par le panneau pussance ncdente du rayonnement solare p Pussance maxmale P Pussance transmse à la charge charge Rapport cyclque du convertsseur Rendement de la cellule P Rendement de la commande MPPT mppt Rendement de la converson photons-électrons du panneau P Rendement du convertsseur conv Rendement énergétque total total R Résstance optmale opt r p R p r s R s Résstance parallèle de la cellule Résstance parallèle du module P Résstance sére de la cellule Résstance sére du module P A Surface actve du panneau S eff Surface de glssement x

12 ISTES DES ACRONYMES ET SYMBOES Surface de la cellule P T Température de joncton des cellules t Temps v Tenson optmale de la cellule opt v Tenson de cellule P v Tenson crcut ouvert de la cellule oc Tenson du GP Tenson optmale du GP opt, e T r x s Tensons d entrée et de sorte du convertsseur Transposée d une matrce arable d état x

13 INTRODUCTION GENERAE INTRODUCTION GENERAE 'énerge est ndspensable à la ve de tout le monde, peu mporte quand et où ls sont. Cela est partculèrement vra en ce nouveau sècle, où les gens contnuent à poursuvre un haut nveau de ve. Parm les dfférents types d'énerge que l Homme a beson au quotden, l'électrcté est la plus mportante qu lu sert pour l éclarage, le chauffage, la cusson, la dstracton, la communcaton et l nformaton, etc. Au cours du XX e sècle, on a abondamment utlsé les combustbles et les sources d'énerge à base d'hydrocarbures, ce qu s est manfesté par le dégagement de grandes quanttés de gaz notamment le doxyde de carbone. a polluton de l ar, les changements clmatques, les rsques du nucléare, les lmtes des réserves des énerges tradtonnelles (uranum, pétrole, charbon et gaz naturel) qu sont épusables et leurs réparttons non équtables sur le globe terrestre, l augmentaton des peuples du monde et l accrossance des besons énergétques ont fat prendre conscence qu'un recours à d autres moyens de producton d énerges respectueux de la planète où nous vvons, s mpose. a soluton est de recourr aux énerges renouvelables qu offrent la possblté de produre de l électrcté satsfasante aux exgences écologques. Malheureusement, cette ssue rencontre des contrantes économques ; coût élevé et rendement bas. e photovoltaïque (P) fat parte de ces énerges. 'énerge solare est une alternatve ntéressante à l'énerge des combustbles fossles. a converson drecte du rayonnement solare en électrcté est connue sous le nom d'effet photovoltaïque. 'énerge P se développe très rapdement. Elle est durable, propre et sans polluton de l'envronnement. Elle est de nature multdscplnare, mplquant la mécanque, l électronque de pussance, théore de contrôle, et d autres flères. D alleurs, on prévot, pour commander la pussance électrque débtée, dverses méthodes : l acton sur les proprétés physcochmques des cellules, l acton sur les trackers mécanques d orentaton automatque des panneaux solares, et l acton sur l nterface d électronque de pussance qu rele le générateur P avec sa charge. Cette dernère acton est communément appelée la commande électrque des systèmes P. Elle consste en l élaboraton de topologes des convertsseurs statques et de développement d algorthmes de commande MPPT (Maxmum Power Pont Trackng) pour la melleure capture de la pussance maxmale. 1

14 INTRODUCTION GENERAE Cependant, l y a auss quelques nconvénents potentels de ces systèmes, à savor les prx élevés des panneaux et le fable rendement énergétque de converson [1]. es systèmes P génèrent une pussance dépendante du changement des condtons clmatques ; telles que le rayonnement solare et la température des panneaux et de la varaton de la charge. Par conséquent, une technque de recherche du pont de pussance maxmale (PPM) destnée à contrôler le rapport cyclque du convertsseur DC/DC est nécessare pour garantr un fonctonnement optmal de la chane P dans dfférentes condtons d'explotaton [2]. Pluseurs travaux ont abordé le problème de la recherche du pont de fonctonnement permettant de trer le maxmum d'énerge des modules P en utlsant dfférentes méthodes MPPT. Cependant, le non lnéarté de la caractérstque des modules P, leurs dépendances de la température, de l'ensolellement et le nveau de dégradaton de la caractérstque rendent l'mplémentaton de ces méthodes très complexe. Ces méthodes présentent auss, lors des varatons des condtons météorologques, une mauvase convergence ou une oscllaton autour du pont de pussance optmale dans les condtons normales de fonctonnement. S le transfert de pussance entre les sources d'énerges renouvelables et la charge n'est pas optmal, l effcacté globale du système sera grandement affectée. es travaux de recherche se poursuvent encore pour rendre ces méthodes plus effcaces: c'est dans cette optque que s'nscrt ce thème de recherche. Un aperçu de plus de trente de ces technques MPPT a été abordé dans [2]. es technques perturbaton et observaton (P&O) [3] et ncrémentaton de conductance (IncCond) [3,4] sont largement utlsées dans la lttérature, mas elles échouent sous une varaton rapde des condtons météorologques. C est pourquo, de nombreux chercheurs ont apporté des modfcatons à ces algorthmes afn d'amélorer leurs performances. KOK SOON et al ont proposé une améloraton de l algorthme IncCond pour atténuer les réponses nexactes lors des changements brusques du nveau d'ensolellement [5]. Il exste également d'autres technques ; telles que la méthode basée sur la mesure du courant de court-crcut [6], la méthode basée sur la mesure de la tenson de crcut ouvert [7], la méthode basée sur les réseaux de neurones artfcels [8] et la méthode basée sur la logque floue [8]. Parm les technques ctées c-dessus, la méthode MPPT basée sur le mode de glssement SMC (en anglas, Sldng Mode Control) [9-12] a une grande mportance en rason de ses avantages tels que la stablté, la robustesse contre la varaton des paramètres, la réponse dynamque rapde et enfn la smplcté de mse en œuvre. applcaton de cette méthode permet d'adapter la charge aux modules P et de suvre le PPM quelles que soent les varatons des condtons météorologques. 'approche proposée dans le présent traval consste en SMC avec deux pas de perturbaton 2

15 INTRODUCTION GENERAE dfférents. es résultats obtenus par cette dernère, ont montré que l'effcacté de la poursute du PPM est nettement melleure que celles obtenues par les autres méthodes MPPT. 'objectf prncpal de ce traval est de bâtr une plateforme de connassance autour des chanes de converson P suv par l'optmsaton du transfert énergétque entre la source d'énerge P et le bus contnu, dans le but d'amélorer le rendement des systèmes P par la sélecton des nterfaces de pussance et le développement d algorthmes de commande MPPT. Pour attendre cet objectf, l faut réalser les tâches suvantes: Analyse du transfert d'énerge dans une source P Étude comparatve des dfférentes méthodes MPPT dsponbles dans la lttérature. Développement d'un nouvel algorthme MPPT aldaton du système MPPT proposé par la smulaton et l expérmental. 'optmsaton du transfert énergétque des panneaux solares nécesste une étude approfonde du système de converson d'énerge P. Cette étude concerne la modélsaton, l'analyse et la synthèse de la commande du système. Pour attendre ces objectfs, on va suvre les étapes suvantes: Recherche bblographque approfonde ; Analyse des travaux effectués dans le même sens ; Optmsaton de l énerge P par la poursute du PPM en utlsant un algorthme de commande numérque basée sur le mode de glssement ; Applcaton sur une plateforme de smulaton basée sur le progcel Matlab/Smulnk TM ; Expérmentaton du système MPPT proposé en mplémentant les technques MPPT sur une carte dspace DS 1104 ; Comparason avec d autres méthodes MPPT, notamment les technques P&O et IncCond ; Evaluaton des performances des algorthmes de commande sur dfférentes topologes de convertsseurs DC-DC. Tout d abord, une revue de lttérature est présentée. Elle comprend une brève dscusson sur les avantages des systèmes P, les dfférentes nterfaces de pussance, ans que quelques technques d extracton de pussance maxmale. e cœur du traval est exposé dans les deux derners chaptres tratant de l analyse, de la valdaton, et de la dscusson des résultats de smulaton et expérmentaux de la technque MPPT proposée. Cette thèse est composée de quatre chaptres : 3

16 INTRODUCTION GENERAE Dans le premer chaptre, après avor présenté la défnton de l effet P permettant la producton d électrcté à partr d un rayon lumneux frappant une pastlle de slcum, des caractérstques de la cellule P ont été tracées pour dfférents paramètres nternes et externes nfluant sur la converson d énerge P. Également, des généraltés sur les générateurs photovoltaïques (GP), tels que la consttuton, protecton et nstallaton, ont été données. De plus, les dfférentes chanes de producton d électrcté P sont présentées. e second chaptre trate la problématque d optmsaton énergétque d un système P. Il débute par la connexon drecte d un GP avec la charge. Cette confguraton ne garantt pas un transfert optmal de l énerge. Pour reméder à cet nconvénent, un étage d adaptaton d mpédance est nécessare. Par la sute, une analyse de fonctonnement de pluseurs convertsseurs DC/DC non solés (Buck, Boost, Buck-Boost, Sepc et Cuk) jouant le rôle d adaptateurs est fat. On termne le chaptre par les technques MPPT usuelles, qu permettent d extrare le maxmum d énerge des modules P. Défnton des systèmes à structure varable, des généraltés sur la commande non lnéare basée sur le mode glssant, analyse du prncpe de fonctonnement et smulaton de l algorthme MPPT proposée, est décrt au chaptre tros. e chaptre quatre se focalse sur l applcaton de la nouvelle méthode sur une archtecture de système P autonome à base d un convertsseur de type Boost. e système sera smulé sous Matlab/Smulnk et mplémenté pratquement sur une carte dspace. En concluson générale, on présente une synthèse des travaux réalsés ans que les prncpaux résultats obtenus, pus les perspectves de ces travaux. 4

17 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Chaptre 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE 1.1. Introducton a chane de converson P ou système P est un ensemble d éléments qu sert à la producton d électrcté à partr du rayonnement solare. Un GP almente une charge contnue ou alternatve va une nterface d électronque de pussance. Il est capable de fournr une pussance allant d un mllwatt à quelques mégawatts. e composant de base de ce système s appelle : cellule P ou photople. Il produt de l énerge électrque à chaque fos qu l reçot de l éclarement. Il faut remarquer que la photople n est pas une ple car elle ne stocke pas d énerge n sous forme chmque n sous une autre forme. Par contre, elle consttue un convertsseur nstantané de la lumère vers l électrcté. Dans ce chaptre, on présente globalement le fonctonnement du GP, le prncpe de la converson P. On décrra une modélsaton mathématque afn de tracer les caractérstques courant-tenson (I-) et pussance-tenson (P-) de la cellule P en montrant l nfluence des condtons météorologques (éclarement et température) Cellule photovoltaïque Effet photovoltaïque a converson d énerge solare P repose sur un phénomène physque appelé : effet photovoltaïque, qu est la converson drecte de la lumère en électrcté quand des photons frappent une cellule fate généralement du slcum. Cette dernère est un composant électronque semconducteur dans lequel l'absorpton des photons, grans élémentares de la lumère, lbère des "électrons" chargés négatvement et des "trous" chargés postvement. Ces charges électrques sont séparées par un champ électrque nterne et collectées par une grlle à l'avant et un contact à l'arrère. a cellule P consttue ans un générateur électrque élémentare (Fgure 1.1). effet P est un phénomène optoélectronque fut découvert par le physcen Franças EDMOND BECQUERE en Mas, l faudra attendre jusqu au 1954 pour que les tros chercheurs 5

18 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE amércans des laboratores Bell, Chapn, Pearson et Prnce, développent la premère cellule P avec un rendement énergétque ne dépassant pas 4,5% au moment où l ndustre spatale nassante cherche des solutons nouvelles pour almenter ses satelltes. umère + Grlle métallque Zone dopée N Joncton P/N Zone dopée P Contact métallque Crcut extéreur - Fgure 1.1. Fonctonnement d une cellule solare photovoltaïque Technologes des cellules P e matérau de base, utlsé dans la fabrcaton des cellules P, est dans la plupart des cas le slcum. Cette technologe présente plus de 85% du marché mondal d aujourd hu, dont 29% pour le slcum monocrstalln et 51% pour le slcum mult-crstalln. Selon le procédé de fabrcaton, on obtendra des photoples plus ou mons performantes, sous forme amorphe, polycrstallne, ou mono crstallne. D autres matéraux sont utlsables : Arsénure de Gallum (AsGa), Tellurure de Cadmum (CdTe), Indum Gallum Phosphde (InGaP), et Cu(InGa)Se2. e chox parm ces dfférentes technologes dépend du prx et du rendement énergétque. Quelques rendements concernant les dverses photoples exstantes sont présentés c-après [13, 14] : es cellules monocrstallnes font parte de la premère génératon de photoples. Elles ont un taux de rendement excellent de 24,7% en laboratore (record obtenu en 1999). SunPower commercalse une cellule de même nature avec un bon rendement qu peut attendre 24,2%. Cependant, leur méthode de producton est laboreuse et dffcle, et donc, très chère. Il faut une grande quantté d'énerge pour obtenr du crstal pur. es cellules polycrstallnes ont un coût de producton mons élevé, et utlsant un procédé mons gourmand en énerge, avec un rendement de 11 à 15% (19,8% en laboratore). 6

19 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE es cellules amorphes ont un coût de producton ben plus bas, mas malheureusement avec un rendement plus bas 5 à 8% (13% en laboratore). Cette technologe permet d'utlser des couches très mnces de slcum de 0,3 à 1,0 mcromllmètres seulement (500 μ mm pour les deux autres types). es panneaux amorphes ont beson d'envron deux fos plus de surface pour produre la même quantté d'électrcté, et semblent se dégrader plus rapdement. Cependant, ls ont l'avantage de meux réagr à la lumère dffusée et à la lumère fluorescente et d'être plus performants à des températures élevées. es cellules en composte monocrstalln (AsGa) avec un rendement de 18 à 20% (27,5% en laboratore). es cellules en composte polycrstalln (CdS, CdTe, CulnGaSe2, etc.) ont un rendement de 8% (16% en laboratore) Modélsaton de la cellule P Pour établr le modèle mathématque de la cellule P, l faut tout d abord retrouver son crcut électrque équvalent. De nombreux modèles mathématques de cellule P ont été développés pour représenter leur comportement très fortement non lnéare dû à la joncton sem-conductrce. a référence [15] analyse tros types de modèles : modèle à une dode, modèle à deux dodes et le modèle polynomal. A ttre d exemple, on trouve le modèle à deux dodes utlsé par [3]. e modèle à une dode est le modèle le plus classque de la lttérature [16-19]. Il consste en un générateur de courant ph qu est drectement dépendant de l ensolellement et de la température pour la modélsaton du flux lumneux ncdent, une dode en antparallèle pour les phénomènes de polarsaton de la cellule, une résstance sére r s représentant les dverses résstances de contacts et de connexons et une résstance parallèle r p caractérsant les dvers courants de futes dus à la dode et aux effets de bords de la joncton. e crcut électrque équvalent de la cellule est représenté dans la fgure 1.2 ; Avec : d le courant qu traverse la dode, v d la tenson aux bornes de la dode, le courant délvré par la cellule et v est la tenson à la sorte de la cellule. Deux cas sont à dstnguer dans l étude de la cellule P, cas déal et cas réel. 7

20 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Fgure 1.2. Schéma équvalent d une cellule P a. Cellule P déale a résstance sére est très pette et la résstance parallèle est suffsamment grande. e crcut équvalent de la photople peut devenr comme sut (fgure 1.3): Une photople dans l obscurté (fgure 1.3.a) est rége par l expresson du courant dans la dode : qv d Is exp 1 a kbt (1.1) d d v d v ph v d v (a) (b) Fgure 1.3. Schéma équvalent d une photople déale : Où : (a) Sous l obscurté ; (b) Sous l éclarement I s est le courant de saturaton de la dode, a est le facteur d déalté de la joncton, 23 k est la constante de Boltzmann ( 1,38 10 J K ), b T est la température de joncton des cellules, q est la charge élémentare de l électron ( 1, C). 8

21 Courant (A) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE S la photople est mantenant sous l éclarement (Fgure 1.3b), elle sera rége par une nouvelle expresson : qv ph d ph Is exp 1 a kbt (1.2) Pratquement, on utlse une charge résstve ajustable pour construre pont par pont la caractérstque courant-tenson de la photople (Fgure 1.4). S la charge est nulle, cas de court-crcut, la tenson de sorte est égale à zéro. e courant de la cellule est à son maxmum. Ce courant est appelé : courant de court-crcut (short crcut current). sc (1.3) ph S la charge est suffsamment grande, cas du crcut ouvert, le courant de sorte est égal à zéro. a tenson de la cellule est à son maxmum. Cette tenson est appelée la tenson de crcut ouvert (open crcut voltage) : v oc a kbt ph ln 1 q Is (1.4) 4 3 sc 2 courant de la cellule P courant de la dode photo-courant 1 v oc b. Cellule P réelle Fgure 1.4. Consttuton de la caractérstque d une photople En réalté, la résstance sére est très pette, et est de l ordre de quelques mll-ohms. a résstance parallèle est suffsamment grande, et est de l ordre du méga ohm. Dans ce cas, le crcut équvalent de la photople est celu de la fgure 1.2. Ans, l expresson du courant de la cellule peut avor la forme suvante [20]: Tenson () 9

22 Pussance (W) Courant (A) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE v q v rs v r ph d ph I s exp 1 rp a kbt r p s (1.5) En utlsant cette expresson, on peut tracer la caractérstque I- de la cellule P (Fgure 1.5). Etant donné que la pussance de la cellule est le produt du courant par la tenson, alors de même, on peut tracer la caractérstque P- de la cellule P (Fgure 1.6). 4 PPM 3 opt 2 1 v opt Tenson () Fgure 1.5. Caractérstque courant-tenson d une photople 2 PPM 1.5 p max v opt Tenson () Fgure 1.6. Caractérstque pussance-tenson d une photople On peut conclure que la cellule P présente une caractérstque I- non lnéare allant du pont de fonctonnement extrême correspondant au courant de court-crcut vers un autre pont extrême 10

23 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE correspondant à la tenson en crcut ouvert tout en passant par le pont de fonctonnement souhaté qu est le PPM. Tros modes de fonctonnement de la photople peuvent être dstngués en regardant sa caractérstque I-. Cette cellule se comporte comme générateur de courant s sa tenson est nféreure à 0,4. Elle a un fonctonnement de générateur de tenson s son courant est mons de 3 A. Entre ces deux lmtes, on trouve le 3 ème mode où se stue le pont de fonctonnement optmal PPM. es coordonnées de ce pont de pussance maxmale v opt, opt peuvent être estmées par les néquatons suvantes [21]: 0,71v v 0,78v oc opt oc 0, 78 0,92 sc opt sc (1.6) a pussance maxmale de la cellule p max peut être exprmée comme sut : p v. v.. FF (1.7) max opt opt oc sc Avec est le facteur de forme. Ce facteur mesure la qualté de la photople et son élognement du rectangle déal v.. Sa valeur se stue entre 0,7 et 0,8 pour une photople crstallne et dmnue oc avec l augmentaton de la température. sc Pmax, voc, sc sont des paramètres donnés par le fabrcant pour des condtons standards STC (Standard test condtons) qu sont l ensolellement de 1000 W/m 2, la température de 25 C et l ar de masse AM 1,5. e rendement de la photople est le rapport de la pussance maxmale produte p max sur la pussance ncdente p n du rayonnement solare qu frappe la photople. Cette dernère pussance est égale au produt de l éclarement G par la surface. p vopt. max opt (1.8) p G. n Influence des résstances sére et parallèle sur la cellule P A partr du crcut équvalent d une photople réelle, on constate que d autant la résstance sére est fable et la résstance shunt est grande, on collecte un maxmum de courant ce qu mplque un maxmum de pussance. a fgure 1.7 (a, b) llustre respectvement les caractérstques I- et P- pour dfférentes résstances sére. a fgure 1.8 (a, b) montre respectvement les caractérstques I- et P- pour dfférentes résstances shunt. En augmentant r s ou en dmnuant r p, on s élogne du 11

24 Courant (A) Pussance (W) Courant (A) Pussance (W) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE rectangle déal v. de la caractérstque I/ qu correspond au FF 1 et de même la pussance dmnue. 4 oc sc ohm 0.02 ohm 0.03 ohm 0.04 ohm ohm 0.02 ohm 0.03 ohm 0.04 ohm Tenson () Tenson () a) Caractérstques courant-tenson b) Caractérstques pussance-tenson Fgure 1.7. Influence de la résstance sére sur les caractérstques P ohm ohm ohm ohm Tenson () a) Caractérstques courant-tenson b) Caractérstques pussance-tenson Fgure 1.8. Influence de la résstance shunt sur les caractérstques P ohm ohm ohm ohm Tenson () Influence de l éclarement sur la cellule P éclarement est le paramètre le plus nfluant sur la cellule P. En effet, le photo-courant est proportonnel à l éclarement, par contre le courant à travers la dode qu n est que le photo-courant à l obscurté, reste nchangé aux varatons de ce derner. a fgure 1.9 (a, b) présente respectvement les caractérstques I- et P- de la photople smulée sous une température de référence de 25 C et sous dvers nveaux d éclarements. On remarque que la tenson du crcut ouvert v oc reste très peu changée en fasant varer l éclarement G, par contre le courant du courtcrcut sc vare beaucoup en augmentant l éclarement ce qu engendre une augmentaton de la pussance photovoltaïque. 12

25 Courant (A) Pussance (W) Courant (A) Pussance (W) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE W/m2 750 W/m2 500 W/m W/m2 750 W/m2 500 W/m2 250 W/m W/m Tenson () Tenson () a) Caractérstques courant-tenson b) Caractérstques pussance-tenson Fgure 1.9. Dépendance des caractérstques de la cellule P de l éclarement a dépendance du courant sc de l éclarement G peut être formulée par [22] : G G * sc sc k * T T * G G (1.9) Avec * * 2 sc est le courant de court-crcut dans les condtons STC G 1000 W m *, T 25 C, et k est un coeffcent de température du courant de court-crcut (généralement donné par le fabrcant) Influence de la température sur la cellule P a température est le second paramètre le plus mportant dans le comportement de la photople. a fgure 1.10 (a, b) llustre respectvement les caractérstques I- et P- de la photople smulée sous un éclarement de W m et dfférentes températures. On remarque que le courant du courtcrcut sc reste très peu sensble à la varaton de la température mas la tenson du crcut ouvert v oc dmnue en augmentant la température ce qu cause une dmnuton de la pussance à la sorte de la photople C 25 C 50 C 75 C C 25 C 50 C 75 C Tenson () Tenson () a) Caractérstques courant-tenson b) Caractérstques pussance-tenson Fgure Dépendance des caractérstques de la cellule P de la température 13

26 Courant (A) Pussance (W) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE a tenson du crcut ouvert en foncton de la température est donnée par [17] : * * * oc oc sc sc s v v T T ( ) r (1.10) Avec * voc est la tenson du crcut ouvert dans les condtons STC et est un coeffcent obtenu emprquement (/ C) Influence smultanée de l éclarement et de la température sur la cellule P e changement d un paramètre atmosphérque, éclarement ou température, en fxant l autre est peu probable dans la réalté. Généralement, le changement de ces deux paramètres qu se fat aléatorement est dans la plupart des temps smultané et dans la même drecton. a fgure 1.11 montre l mpact de varaton parallèle des condtons clmatques sur la cellule P G 0 C, 250W/m2 25 C, 500W/m2 50 C, 750W/m2 75 C, 1000W/m2 T Tenson () Tenson () a) Caractérstques courant-tenson b) Caractérstques pussance-tenson Fgure Influence smultanée de G et T sur les caractérstques de la cellule P C, 250W/m2 25 C, 500W/m2 50 C, 750W/m2 75 C, 1000W/m2 G T 1.3. Générateur photovoltaïque GP Concepton et caractérstques du GP a cellule P fat à peu près 150 cm 2, produt 2,3 Watt-crête (Wc) sous approxmatvement 0,5 olt [23]. Cette fable pussance est généralement nsuffsante pour la majorté des applcatons P domestques ou ndustrelles. Afn de fournr au récepteur extéreur une tenson et une pussance adéquates, pluseurs cellules P dovent être connectées entre elles en sére, pour former ce qu on appelle : «un module». es modules peuvent être assemblés en sére et/ou en parallèle pour former des panneaux (Fgure 1.12), eux-mêmes nterconnectés pour former un champ P. On utlse généralement des modules P de 12, composé normalement de 28 à 40 cellules. Un mètre carré de panneaux solares peut produre jusqu'à 150 W, sans entreten pendant 14

27 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE une trentane d années. a pussance que peut fournr un module est foncton de sa surface, de sa température et de l ensolellement ncdent. Elle s exprme en Watt-crête et représente la pussance maxmale du module pour les condtons normalsées de l ensolellement maxmal de référence (1000 W/m 2 ) et de température de référence (25 C) [24]. a tenson délvrée par un module dépend du nombre de cellules connectées en séres. Pour les modules de pette pussance (< 75 Wc), la tenson d usage est généralement comprse entre 12 et 15. Des modules de pussance plus mportante sont obtenus par une augmentaton du nombre de cellules en sére (augmentaton de la tenson) et augmentaton du nombre de branches de cellules en parallèle (augmentaton de la valeur du courant). a tenson d usage peut alors être de 24 ou plus selon la confguraton du système à almenter. a surface des modules est varable selon les fabrcants et est généralement comprse entre 0,5 et 1 m 2. Elle peut attendre 3 m 2 pour des fabrcatons spécales et s l mportance de la commande le permet. assemblage des modules en sére et/ou en parallèle permettra de fxer dfférentes tensons et pussances. a caractérstque d une cellule P est semblable à celle d une photodode mas en conventon génératrce (Fgure 1.4). a caractérstque I- d un générateur ou d un module P ressemble à celle d une cellule (avec un rapport prés) lorsque les dodes de protectons n ntervennent pas et que toutes les cellules sont dentques et reçovent le même éclarement. De même, la caractérstque d un générateur formé de Np Ns modules sera dentque à celle d un seul module (Fgure 1.13, Fgure 1.14, Fgure 1.15). Fgure Consttuton d un générateur photovoltaïque 15

28 P (W) I (A) I (A) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Dans un groupement de modules connectés en parallèle, les modules étant soums à la même tenson, les ntenstés s'addtonnent. a caractérstque résultante est obtenue par addton de courants à tenson donnée. Dans un groupement en sére, les modules sont traversés par le même courant et la caractérstque résultante du groupement en sére est obtenue par l'addton des tensons à courant donné. a plupart des modules commercalsés sont composés de 36 cellules en slcum crstalln, connectées en sére pour des applcatons en Np modules en parallèle Ns modules en sére Np.Ns modules 1 module () Fgure Caractérstques courant-tenson pour dfférentes assemblage de modules P module Np.Ns modules () Fgure Caractérstques courant-tenson pour Np Ns modules module Np.Ns modules () Fgure Caractérstques pussance-tenson pour Np Nsmodules 16

29 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Effet d éclarement non homogène sur le GP : Ombrage partel Cette secton a pour but de marquer l effet de l ombrage partel ou d éclarement constant et non homogène sur le GP. Pour cela, on consdère un GP composé de tros modules type MSX 60. Chacun est capable de fournr une pussance crête de 60 W dans les condtons standard de test STC (25 C, 1000 W/m 2 ). On fxe la température à la valeur de référence et on met les tros modules à des éclarements constants mas dfférents. e premer est soums à 500 W/m 2, le second à 750 W/m 2 et le derner à 1000 W/m 2 comme le montre le synoptque de smulaton de la fgure Fgure Synoptque de smulaton de l effet d ombrage nfluence de l ensolellement non homogène sur les caractérstques P- et I- est respectvement llustrée dans la fgure 1.17 (a, b). On constate l exstence des PPM locaux et un PPM global d envron 94,17 W. Pour le même GP, on refat le test en consdérant un éclarement constant et homogène de 1000 W/m 2, c'est-à-dre les deux modules ombragés devennent ben éclarés. e résultat de smulaton est présenté dans la fgure Dans ce cas, on obtent un PPM de 171,4 W. En concluson, l effet de l ensolellement non homogène se résume par une perte de pussance d envron de 45%. S on consdère que les tros modules opèrent ndépendamment l un de l autre et sous leurs propres condtons, on aura la pussance de crête de l ensemble en sére égale à la somme des tros pussances de chacun, sot 30W+45W+60W. Avec l éclarement non homogène on peut trer que 70% de la pussance que normalement on dot avor. 17

30 Pussance (W) Pussance (W) Courant (A) CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE ,83 94, , Tenson () Tenson () a) Caractérstques pussance-tenson b) Caractérstques courant-tenson Fgure Influence de l éclarement non homogène sur les caractérstques du GP , Tenson () Fgure Caractérstque du GP pour un éclarement homogène Protecton des panneaux solares e passage d un module à un panneau se fat par l ajout de dodes de protecton (Fgure 1.19). Pour montrer l utlté des dodes de protecton, on consdère deux types de groupement de cellules P : parallèle et sére. Dans un assemblage parallèle, les cellules sont soumses à la même tenson et les courants s ajoutent. Dans des condtons défavorables (éclarement non unforme et crcut ouvert), une cellule fable peut être parcourue en nverse par le courant produt par les autres cellules et ans dssper une pussance mportante et être détrute. Pour évter cet effet, l faut mettre une dode en sére qu nterdt tout courant nverse. Par contre, dans un assemblage sére, le courant constant et les tensons s addtonnent. Dans certanes condtons d éclarement non unforme et de fonctonnement proche du court-crcut, une cellule peut être soumse à la tenson des autres cellules applquée en nverse et ans fonctonner en récepteur en dsspant une pussance mportante et être détrute s la contrante thermque est trop forte ou s la tenson d avalanche est dépassée. Pour évter cela, l faut dsposer une dode en parallèle, aux bornes d un groupement élémentare de 30 à 40 cellules au slcum au maxmum. 18

31 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE amorçage spontané de cette dode parallèle, dès l apparton d une tenson en nverse aux bornes du groupement lmte cette dernère à la tenson de la dode et ans la pussance dsspée [16]. Fgure Dodes de protecton des modules Installaton des panneaux solares 'nstallaton des panneaux solares P peut être sur des supports fxes au sol ou sur des systèmes mobles de poursute du solel appelés : trackers. Dans ce derner cas, la producton électrque augmente d'envron 30 % par rapport à une nstallaton fxe. En dehors de centrales solares, les nstallatons fxes se font actuellement plutôt sur les tots des logements ou des bâtments (Fgure 1.20), sot en ntégraton de toture, sot en surmposton. endrot de la pose dot être ben dégagé, aéré et protégé. Il est consellé de lasser envrons 10 cm sous les modules et de les poser avec une nclnason d au-mons de 10 pour assurer un auto-nettoyage lors des plues. Pour plus de performance, une nclnason de 30 à 60 est recommandée. Dans certans cas, on pose des panneaux vertcaux en façade d'mmeuble (Fgure 1.20). Cette nclnason n'est pas optmale pour la producton d'électrcté, mas comme ces panneaux remplacent le revêtement de façade, l'économe réalsée sur le revêtement compense au mons partellement une producton plus fable. Il faut également évter que des éléments fassent de l'ombre aux panneaux. 19

32 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE (a) sur le tot (b) sur la façade Fgure Intégraton du photovoltaïque dans le bâtment [66] 1.4. Chaînes de converson photovoltaïque a chaîne de converson solare photovoltaïque ou tout court le système P comporte en plus de l élément prncpal qu est le générateur P qu représente plus de 50% du coût total de la chaîne [16], des éléments secondares comme le système de stockage ans que l étage d adaptaton de pussance. Souvent, le système de stockage comprend un ou pluseurs batteres rechargeables. es batteres sont un artcle très coûteux et dovent être choss avec prudence. Pour l étage d adaptaton n est autre qu un convertsseur statque DC/DC ou DC/AC qu peut fare la régulaton de charge de la battere et/ou la poursute du PPM du GP. a durée de ve des modules P est entre 20 et 30 ans, celle des batteres attent 8 à 10 ans. es systèmes peuvent être conçus pour des pussances très varables (de 20 Wc pour un système de sgnalsaton routère jusqu à plus de 100 MWc pour une centrale connectée au réseau). es systèmes P peuvent être autonomes ou connectés aux réseaux publcs, comme on peut rajouter aux GP d autres sources, par exemple éolennes et/ou groupes électrogènes pour évter le surdmensonnement des panneaux et des batteres. Dans ce cas, le système P est devenu système hybrde. En dehors des applcatons spatales à l orgne du développement des technques P et des applcatons en électronque (almentaton de calculette, de montres...), on trouve deux grandes famlles d applcatons : es générateurs autonomes pour l almentaton en électrcté de bâtments ou d nstallatons solées du réseau de dstrbuton (habtat, relas hertzen, pompage, balsage en mer, électrfcaton rurale des pays sous-développés...) ont des pussances généralement mons de 100 kwc. es centrales P connectées au réseau (en très fort développement dans les pays ndustralsés) ont attent plus de 300 MWc en janver

33 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Systèmes P autonomes Dans le cas d nstallatons autonomes, les systèmes P fonctonnent ndépendamment des réseaux électrques. 'énerge produte par les panneaux solares P est utlsée mmédatement (pompage d eau, ventlaton, etc.) ou stockée dans des batteres pour une utlsaton dfférée. e courant contnu produt almente drectement des apparels prévus à cet effet ou est transformé en 230 alternatf va un onduleur. a confguraton la plus smple des systèmes autonomes est le couplage drect où le GP est drectement connecté à la charge contnue (Fgure 1.21). Dans cette connexon, la charge ne peut être opératonnelle que pendant les pérodes d ensolellement suffsant. Ce qu est fasable pour des applcatons qu n ont pas beson de fonctonner la nut ou dans l obscurté comme le pompage de l eau. G P Charge (s) DC Fgure Couplage drect GP-charge. Pour des applcatons qu ont beson de l énerge électrque même la nut et lors des moments d obscurté, un système de stockage peut être ajouté au système. 'énerge produte par le dspostf solare est emmagasnée dans l accumulateur d énerge en vue d'être utlsée au moment du manque de l éclarement. En effet, c'est presque toujours la battere qu dure le mons longtemps dans une applcaton solare. Alors, en vue d amélorer la durée de ve d'une battere, on dot empêcher la surcharge (évter que la tenson dépasse un certan seul) et la décharge profonde (évter que la battere sot vdée de plus de 60% de sa charge). Cela est possble par le bas d un contrôleur de charge. Ans, quand l'énerge produte est supéreure à l'énerge consommée, l'excédent d'électrcté est stocké dans les batteres jusqu'à ce que la lmte de charge des batteres sot attente. Inversement, quand l'énerge produte est nféreure à l'énerge consommée, les batteres fournssent la quantté d'énerge manquante jusqu'à ce que la lmte de décharge des batteres sot attente. Un régulateur charge-décharge est alors ndspensable. A ttre d exemple, quand la tenson aux bornes de la battere attent 14,5 (seul haut typque pour une battere au Plomb de 12 nomnale), le régulateur coupe la lason panneau - battere. Cette charge est rétable vers 13,5. De même, quand la tenson attent 11,5 (seul bas typque pour 12), le régulateur coupe la lason battere - utlsaton, mettant ans la charge électrque hors servce jusqu'à ce que la tenson battere sot revenue à un nveau de 12,5. Il rétablt alors l'utlsaton. 21

34 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE Deux archtectures plus courantes des systèmes P autonomes avec stockage d énerge almentant à la fos des charges DC et AC sont llustrées dans les fgures 1.22 et a seule dfférence entre les deux résde dans le fat que la sorte du GP est connectée à un convertsseur DC/AC pour la premère, et à un convertsseur DC/DC pour la seconde. G P DC AC Charge (s) AC DC DC Charge (s) DC Fgure Système P autonome almentant des charges DC et AC (étage 1 est DC/AC). G P DC DC DC AC Charge (s) AC Charge (s) DC Fgure Système P autonome almentant des charges DC et AC (étage 1 est DC/DC) Systèmes P connectés aux réseaux Dans cette catégore, tros types de systèmes sont généralement rencontrés dans les applcatons P. Fgure 1.24 montre un exemple typque de grande centrales P qu ont pour objectf la fournture d électrcté en haute (50 à 400 k) ou en moyenne tenson (3 à 50 k) aux réseaux électrques (Grd dans la lttérature Anglo-Saxonne). a totalté de l énerge produte sera vendue et les charges sur place seront almentées par le réseau publc. Fgure 1.25 présente un exemple d nstallatons raccordées au réseau et produsant de l électrcté au leu même de consommaton tout en évtant les pertes de transport et de dstrbuton. Dans ces systèmes, on peut être dspensé du coûteux et problématque stockage d énerge. D autre part, s la consommaton locale est supéreure à la producton de la centrale, l'appont est fourn par le réseau. Dans le cas contrare, l'énerge est fourne au réseau publc et sert à almenter les consommateurs vosns. Trosème type de structure est llustré dans la fgure Cette topologe est connectée au réseau et en même temps admet un système de stockage qu peut être utle en cas de panne du réseau. énerge produte almente les usagers sur place, le surplus sera stocké dans des batteres jusqu à la lmte de charge et pus le reste 22

35 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE sera njecté dans le réseau. Dans le cas où la producton et le stockage ne sufft pas pour approvsonner toutes les charges, on fat appel au réseau publc. Il faut noter que l utlsaton de système de stockage dans les systèmes P raccordés au réseau est nterdt dans quelques pays européens comme l Espagne et la France et est autorsé dans d autres pays comme l Australe et les USA [14]. De plus, les réseaux trphasés sont préférés par rapport aux réseaux monophasés à cause de leurs avantages technques et économques. D une part, un réseau trphasé avec neutre permet de proposer deux tensons d utlsaton dfférentes, 230 entre phase et neutre ou 400 entre deux phases et d autre part, on peut rédure la secton des câbles par deux en utlsant le trphasé. G P DC AC G R I D Fgure Système P raccordé au réseau central G P DC AC G R I D Charge (s) AC Fgure Système P raccordé au réseau sans stockage d énerge G P DC AC Charge (s) AC G R I D DC DC Fgure Système P raccordé au réseau avec stockage d énerge 23

36 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE 1.5. Avantages et Inconvénents de l énerge P es prncpaux avantages de l énerge P sont : énerge P est renouvelable et fable car l nstallaton ne comporte pas de pèces mobles e caractère modulare des panneaux P permet un montage smple et adaptable à des besons énergétques dvers. es systèmes peuvent être dmensonnés pour des applcatons de pussances allant du mllwatt aux centanes de mégawatts. e coût de fonctonnement est très fable vu les entretens réduts et l ne nécesste n combustble, n son transport, n personnel hautement spécalsé. a technologe P présente des qualtés sur le plan écologque car le produt fn est non polluant et n entraîne aucune perturbaton du mleu. ongue durée de ve des panneaux solares et pas de rsques électrques pour les usagers. es nconvénents de l énerge P sont : a fabrcaton du module P relève de la haute technologe et requert des nvestssements d un coût élevé. e rendement réel de converson d un module est fable, de l ordre de % avec une lmte théorque pour une cellule de 28%. es générateurs P ne sont compéttfs par rapport aux générateurs desel que pour des fables demandes d énerge en régons solées. orsque le stockage de l énerge électrque sous forme chmque (battere) est nécessare, le coût du générateur est accru. e stockage de l énerge électrque pose encore de nombreux problèmes. Occupaton d un espace mportant pour les nstallatons de grandes dmensons Optmsaton du rendement énergétque du système P Un GP présente des caractérstques courant-tenson non lnéares qu dépendent entre autre du nveau d éclarement et de la température de la cellule. De plus, selon les caractérstques de la charge sur laquelle le GP débte, on peut trouver un très fort écart entre la pussance potentelle du générateur et celle réellement transférée à la charge en mode connexon drecte. Afn d extrare, à chaque nstant, le maxmum de pussance dsponble aux bornes du GP et de la transférer à la charge, on utlse un étage d adaptaton appelé : convertsseur MPPT. a Fgure 1.27 présente une connexon GP-charge va un étage d adaptaton. Ce derner consste en un convertsseur DC/DC s la charge est de type contnu ou d un convertsseur à deux étages DC/DC suv par un autre DC/AC s la charge est de type alternatf. Dfférents types de 24

37 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE convertsseurs DC/DC peuvent être utlsés, sot sans solaton galvanque comme Buck (dévolteur), Boost (survolteur), Buck-Boost (dévolteur - survolteur), Cuck ou Sepc ; sot avec solaton galvanque comme Flyback ou Forward. e convertsseur DC/AC peut être monophasé ou trphasé. Cet étage d adaptaton dot être mun d une commande MPPT analogque ou numérque. G P Etage d adaptaton Charge DC ou AC Fgure Connexon GP-charge à travers un étage d adaptaton Dans le but de ne pas complquer les choses lors de la réalsaton des travaux de cette thèse qu a pour objectf l optmsaton énergétque d une chane de converson P, une confguraton très smple a été chose pour l étude. Elle consste en un GP débtant sur une résstance par l ntermédare d un convertsseur comme llustré sur la fgure Une étude détallée des convertsseurs DC/DC ans qu un état de l art des technques MPPT exstantes sera fate dans le chaptre deux pour qu on pusse ntrodure notre contrbuton. Etage d adaptaton G P Convertsseur DC/DC Charge DC I Rapport cyclque Commande MPPT Fgure Connexon GP-charge à travers un convertsseur DC/DC Rendement de la chaîne de pussance Pour une chaîne de converson solare qu consste en une nterface d électronque de pussance entre une source et une charge, comme celle llustrée à la fgure 1.28, on défnt un rendement énergétque total total. Ce rendement est le rapport entre la pussance transmse à la charge P charge et la pussance reçue par la surface actve du panneau G Aeff de rendement des tros partes qu compose le système [25] :. Auss, l peut être décrt par le produt 25

38 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE total P mppt conv (1.11) Avec P le rendement de la converson photons-électrons du panneau solare est donné par : P max P (1.12) GAeff Où A eff est la surface de la parte actve effectuant réellement la converson P, P max est la pussance maxmale dsponble à la sorte du panneau, elle dépend des paramètres physques du panneau et des condtons météorologques; mppt est le rendement MPPT, appelé auss rendement de la commande. Il permet de mesurer l effcacté de la commande. P e mppt (1.13) Pmax Où P e est la pussance effectvement délvrée par le panneau et se trouve à l entrée du convertsseur et conv est le rendement du convertsseur, généralement fourn par les documents constructeurs, et est défn par : Donc le rendement global de la chane peut s exprmer par : Pcharge conv (1.14) P P P e P P max e charge charge total (1.15) G Aeff Pmax Pe G Aeff 1.8. Concluson Dans ce chaptre, une étude sur la producton drecte d électrcté à partr d une rradaton solare est présentée. Commençant par la défnton de l effet P, en passant par la composton, la protecton et l nstallaton des GP. Dfférentes structures et applcatons des systèmes P ont été exposées. Pour l nstant, ces derners sont compéttfs qu en stes solés. Un modèle mathématque a été établ pour ce phénomène physque. Ce qu permet de tracer les caractérstques de la cellule P pour les dfférents paramètres nfluant (effets résstfs et condtons clmatques). a caractérstque courant-tenson est fortement non lnéare et présente un seul pont de fonctonnement optmal. nserton de convertsseurs statques avec une commande 26

39 CHAPITRE 01 GENERAITES SUR ES CHAINES DE CONERSION PHOTOOTAÏQUE approprée, entre le générateur et sa charge, permet d optmser le transfert de l énerge. Au chaptre deux, on présente une analyse sur les dfférentes topologes de ces convertsseurs ans qu un état de l art sur la plupart des technques MPPT exstantes. 27

40 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Chaptre 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P 2.1. Introducton Comme exposé au premer chaptre, un GP présente des caractérstques I- non lnéares et qu admettent un seul pont de fonctonnement optmal dans les condtons homogènes d éclarement et de température. Une adaptaton d'mpédance s mpose et cela peut se fare par un couplage drect d'une charge adaptée ou en nsérant entre le GP et la charge électrque un dspostf électronque. Ce dspostf n est autre qu un convertsseur statque mun d une commande de poursute du PPM. Dans le but de concevor une nterface de pussance plus performante, une étude détallée est fate sur les convertsseurs statques DC-DC non solés en mode de conducton contnu. analyse porte sur le gan en courant et en tenson du convertsseur ans que sur les contrantes sur les semconducteurs. e convertsseur Boost est chos dans cette étude grâce à sa structure smple et son rapport de transformaton en tenson le plus élevé par rapport aux autres topologes. Après avor détermné la structure du convertsseur adopté, on présentera quelques technques MPPT exstantes qu permettent de fare fonctonner le GP à sa pussance maxmale. a concepton d un étage d adaptaton mun d un algorthme MPPT permet d optmser la converson énergétque et de reler asément un GP à sa charge Connexon drecte générateur photovoltaïque-charge Actuellement, beaucoup d applcatons où une connexon drecte entre un GP et une charge exstent encore. Cette connexon en l absence d électronque est smple, fable et de fable coût. Mas, elle ne garantt pas un transfert optmal de l énerge du GP vers la charge. Un autre nconvénent c est que la connexon drecte du GP n est pas valable sur une charge AC car le GP fournt un courant contnu. Pour la connexon d un GP à une charge alternatve, un étage d adaptaton de type onduleur est nécessare [26]. Cette confguraton est llustrée à la fgure 2.1, la dode ant-retour placée entre le GP et la charge sert de protecton. En effet, s cette charge état 28

41 Source de tenson CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P une battere, lorsque le module n est pas éclaré, celu-c pourrat fonctonner en tant que récepteur. a battere pourrat donc se décharger sur le GP et en plus l endommager. Dode ant-retour G P Charge DC Fgure 2.1. Connexon drecte GP-Charge par le bas d une dode ant-retour I ( ) A I opt A B PPM R opt Charge résstve C Source de courant P ( ) W P max P B ( ) P A P C opt ( ) Fgure 2.2. Ponts de fonctonnement d un GP en connexon drecte pour dfférentes charges DC a charge DC peut être: une charge purement résstve, une charge de type source de tenson ou une charge de type source de courant. Sur la fgure 2.2, les caractérstques I- et P- d un GP sont représentées ans que les caractérstques I- des tros types de charges. es ponts de fonctonnement A, B, C sont les ponts d ntersecton entre la caractérstque I- du GP et celles des tros types de charge. e fonctonnement optmal s obtent pour le PPM qu correspond à la tenson optmale opt et au courant optmal I opt. Pour ces tros ponts, les pussances fournes par le générateur sont respectvement PA, PB, P C. Ces pussances sont toutes des valeurs de pussances nféreures à la pussance maxmale dsponble l ajout d un étage d adaptaton. P max. Donc, l faut reméder à ce problème par 29

42 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P 2.3. Connexon ndrecte GP-charge par le bas d un étage d adaptaton: ors de la constructon d'un système P, l'une des préoccupatons majeures de concepton est de trouver l'adaptaton optmale entre les caractérstques électrques des modules solares, batteres et charge électrque. Une telle adaptaton peut être asément obtenue s la courbe de charge pouvat suvre les ponts du réseau de caractérstques I- des modules P pour lesquels la pussance délvrée par ces modules devent maxmum. a pussance maxmale produte par les modules P vare en foncton des fluctuatons du rayonnement solare. Par conséquent, la charge devra être relée aux modules P par le bas d'un convertsseur MPPT qu pusse suvre les PPM. On constate que la pente en tout pont de la caractérstque I- du générateur est négatve. Autrement dt, l mpédance dfférentelle Z d dv du GP est toujours négatve de part et d autre d du PPM. En ce derner pont de fonctonnement optmal, où la pente de la caractérstque P- devent nulle, cette mpédance vaut : Z d opt dv opt d I (2.1) opt Alors, seule une charge dont la caractérstque passe par le pont ( I opt pussance optmale. a valeur de cette charge vaut alors :, opt ) permet d extrare la R opt opt f G, T (2.2) I opt optmale utlsaton optmale consste alors à ce que la charge conserve à chaque nstant sa valeur R opt lorsque les condtons varent. Dans le cas général, l y a peu de chance pour que la charge réelle suve naturellement ces varatons. Il y a donc leu d effectuer en permanence l adaptaton d mpédance nécessare en nsérant, entre le générateur et la charge électrque, un dspostf adaptateur d mpédance comme llustré dans la fgure 2.3. Il est présenté deux cas de fgures (a) et (b), dans la premère, la commande MPPT utlse les paramètres d entrées [3, 27, 28], et dans la seconde, la poursute du PPM est basée sur les paramètres de sortes. a dernère structure est généralement conçu pour des systèmes ayant comme charge une battere [29, 30]. 30

43 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P G T G P Convertsseur statque Adaptateur d mpédance Charge a) I Commande MPPT G T G P Convertsseur statque Adaptateur d mpédance Charge b) Commande MPPT I o o Fgure 2.3. Prncpe de l adaptaton d mpédance par MPPT a) En utlsant les paramètres d entrés b) En utlsant les paramètres de sortes Ces adaptateurs d mpédance sont des convertsseurs DC-DC avec les dfférentes topologes possbles. On s ntéresse juste aux hacheurs sans solaton galvanque qu sont dépourvus de transformateur tels que : hacheur dévolteur ou abasseur de tenson (Buck), hacheur survolteur ou élévateur de tenson (Boost), hacheur abasseur élévateur de tenson (Buck-Boost, Cuk, Sepc) 2.4. Etages d adaptatons Convertsseur Boost On consdère un convertsseur DC-DC de type Boost. Il est composé essentellement d un nterrupteur K (comme IGBT ou MOSFET) et d une dode D. nterrupteur K est commandé par un sgnal à modulaton de largeur d mpulson (MI) de pérode de découpage fxe T d et de rapport cyclque varable. a conducton des deux nterrupteurs est complémentare, quand K est fermé D est ouvert ; et quand K est ouvert, D est fermé. Durant chaque pérode, K est fermé de l nstant 0 à Td et ouvert de Td à T d. On dstngue deux modes de fonctonnement selon que le courant dans l nductance s annule (conducton dscontnue) ou pas (conducton contnue). On s ntéresse au second cas qu est le plus mportant. a fgure 2.4 donne le schéma de prncpe de ce convertsseur, les ntervalles de conducton de l nterrupteur et de la dode ans que les formes d ondes de ses courants (à gauche) et tensons (à drote). 31

44 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P d D s e + - K K v K v d C c R v s K D K K D K s v K I s c K T v d d T d d s T d T d Fgure 2.4. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Boost orsque l nterrupteur K est fermé ( 0 t Td ), le crcut du convertsseur devent (Fgure 2.5) : s e + - c C R v s Fgure 2.5. Crcut équvalent du Boost quand l nterrupteur est fermé d e dt (2.3) (2.4) e Imn t avec Imn la valeur mnmale du courant dans l nductance. A l nstant t Td, le courant dans l nductance attent sa valeur maxmale max I e I max I mn Td (2.5) 32

45 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P orsque l nterrupteur K est ouvert ( Td t Td ), le crcut du convertsseur sera comme montré dans la Fgure 2.6. s e + - c C R v s Fgure 2.6. Crcut équvalent du Boost quand l nterrupteur est ouvert d dt (2.6) e s A l nstant t e s Imax t Td (2.7) Td, le courant dans l nductance revent à sa valeur mnmale mn I Sot Imax mn l ondulaton du courant dans l nductance. e s Imn Imax 1 Td (2.8) En fasant l égalté des valeurs de l ondulaton du courant trées des équatons (2.5) et (2.8), on peut dédure la valeur moyenne de la tenson de sorte s : s 1 e (2.9) 1 On remarque qu on peut contrôler la tenson de sorte du convertsseur en fasant varer sa tenson d entrée ou son rapport cyclque. Celu-c étant toujours comprs entre 0 et 1, alors le montage fonctonne en élévateur de tenson. En applquant le prncpe de conservaton de pussance entre l entrée et la sorte du convertsseur, on peut établr la valeur moyenne du courant dans l nductance en foncton du courant moyen dans la charge et du rapport cyclque : I 1 Is (2.10) 1 De l expresson (2.5), on exprme l ondulaton de courant dans l nductance : f e e Td (2.11) 33

46 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Avec f la fréquence de découpage. Pendant la premère séquence de fonctonnement ( 0 t T ), seul le condensateur donne de l énerge à la charge, on peut écrre : d C dvs dt (2.12) s Alors l ondulaton de la tenson de sorte peut être exprmée par: I C f S S e 1 RCf (2.13) D après l analyse des deux séquences de fonctonnement, on constate que les contrantes sur l nterrupteur commandé et la dode sont les mêmes en courant et en tenson. Is K,max d,max Imax I s e s K,max d,max s,max s (2.14) (2.15) Convertsseur Buck On procède de la même manère dans l étude du convertsseur Buck. a fgure 2.7 montre la structure et les formes d ondes du courant et de la tenson de ce convertsseur qu est caractérsé par la dsposton en sére de l nterrupteur avec la source. a tenson de sorte en valeur moyenne, l ondulaton de courant dans l nductance et l ondulaton de la tenson de sorte sont donnés respectvement par: s (2.16) 1 e f (2.17) 1 e s 2 8C f 8C f (2.18) e convertsseur est donc abasseur en tenson. e courant moyen traversant l nductance est égal au courant moyen dans la charge : e I I (2.19) S es contrantes sur l nterrupteur commandé et la dode sont les mêmes. 34

47 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P v K s e + - K K D v d C c R v s d K D K K D K c e v K K T d v d T d d e T d T d En tenson, on a : Fgure 2.7. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Buck. (2.20) K,max d,max e Et en courant : k, max d, max, max I (2.21) Convertsseur Buck-Boost a topologe et les formes d ondes de courant et de tenson obtenues de ce convertsseur sont présentées à la fgure 2.8. a tenson de sorte moyenne est donnée par: ondulaton de courant dans l nductance est donnée par : s e (2.22) 1 f e I (2.23) 35

48 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P et l ondulaton de la tenson de sorte: I C f s s 2 e 1 RC f (2.24) a tenson de sorte du convertsseur Buck-Boost est négatve par rapport à la tenson d entrée. Son ampltude peut être supéreure ou nféreure à celle de la tenson d entrée selon la valeur du rapport cyclque. C est un abasseur-élévateur-nverseur en tenson. e courant moyen traversant l nductance est donné par : I IS (2.25) 1 es contrantes en tenson et en courant sur l nterrupteur commandé et la dode sont les mêmes : e K, max d, max s, max e 1 2 Is K, max d, max, max 1 2 s (2.26) (2.27) v K v d d s e + - K K D C c R v s K D K K D K e s s v K I s c K T d v d T d d e s s T d T d Fgure 2.8. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Buck-Boost 36

49 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Convertsseur Cuk a fgure 2.9 llustre le crcut électrque du convertsseur Cuk et ses formes d ondes de courant et de tenson. a tenson de sorte moyenne est donnée par: s e (2.28) 1 On remarque que le rapport de transformaton est smlare à celu du Buck-Boost. De même, on peut dre que c est un montage abasseur-élévateur-nverseur en tenson. ' c ' C ' ' e v ' c + D - K v d v C K K d c R v s K D K K D K ' c ee ' c 1 c ' ' v K K d e 1 e 1 v T T d d d T d T d Fgure 2.9. Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Cuk expresson relant les courants moyens est : I I I 1 1 ' s es ondulatons de courant dans les deux nductances : (2.29) f e ' (2.31) ' f e (2.30) 37

50 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P ondulaton de la tenson de sorte: 8C f 8 ' C f ' e s (2.32) 2 ondulaton de la tenson aux bornes de C 1 I C ' Cf 2 e 1 R Cf (2.33) es contrantes sur l nterrupteur commandé et la dode sont : e K, max d, max c ', max 1 2 c' (2.34) I I 2 ' K, max d, max ' (2.35) Convertsseur Sepc De la même façon, on commence par donner le crcut de prncpe du convertsseur Sepc et ses formes d ondes de courant et de tenson obtenues en mode de conducton contnu à la fgure es caractérstques de ce convertsseur sont dentques à celles du Cuk, mas l n est pas nverseur en tenson. a tenson de sorte moyenne est donnée par: expresson relant les valeurs moyennes des courants est : s e (2.36) 1 I I I 1 1 s es ondulatons de courant dans les deux nductances : (2.37) e f (2.38) e ' f (2.39) ondulaton de la tenson de sorte: s 2 e 1 RC f (2.40) 38

51 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P ondulaton de la tenson aux bornes de C ' 1 I C Cf 2 e 1 RC f (2.41) es contrantes sur l nterrupteur commandé et la dode sont : K, max d, max C ', max s, max 1 2 I I 2 e C ' s (2.42) ' K, max d, max (2.43) ' c ' C D d s e + - ' K v C K K v ' c ' v d c R v s K D K K D K ' ' c e 1 v K K T d v d T d d e 1 T d T d Fgure Formes d ondes des courants et tensons du convertsseur Sepc. 39

52 Gan en tenson CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Récaptulatf d analyse et chox du convertsseur Un panneau solare P est un générateur d électrcté contnu basse tenson. Il est préférable de mettre un dspostf élévateur de tenson comme étage adaptateur d mpédance entre la source et la charge. Tous les convertsseurs ctés précédemment excepté le Buck, peuvent jouer ce rôle d élévateur de tenson. D alleurs, les structures Buck-Boost, Cuk et Sepc sont élévatrces pour un rapport cyclque supéreur à un dem. S on regarde à la complexté des structures, le Boost est le plus smple. es contrantes en tenson et en courant sur les nterrupteurs et les dodes sont presque smlares pour les dfférentes topologes élévatrces Buck Buck-Boost; Cuk; Sepc Boost Rapport cyclque Fgure Evoluton du gan en tenson en foncton du rapport cyclque des convertsseurs. Fgure Evoluton du gan en tenson en tenant compte des éléments parastes des convertsseurs S on les compare du pont de vue gan en tenson, auss le Boost prend la premère place comme le montre la fgure 2.11 qu donne l évoluton du gan en tenson en foncton du rapport cyclque. 40

53 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Enfn, une comparason de ces convertsseurs est donnée par le Tableau 2.1 qu récaptule l analyse fate auparavant sur les dfférents convertsseurs. On peut remarquer auss que la dode D présente dans les convertsseurs Sepc et Boost peut jouer le rôle de protecton du GP ce qu permet de dspenser de la dode ant-retour et de fare des économes par rapport aux autres topologes. Pour meux dfférencer entre les convertsseurs, HUANG a tracé le gan en tenson en foncton du rapport cyclque (Fgure 2.12) en tenant compte des éléments parastes des convertsseurs [31]. Tableau 2.1. Récaptulatf des caractérstques des convertsseurs contnu-contnu. Paramètres Gan en tenson s Contrantes en tenson Contrantes en courant Convertsseurs e K,max d,max K,max d,max Boost 1 e s Is Cuk e c' I I' Sepc e c ' s I I' Buck-Boost e s Is Buck e I 2 ' ' 2.5. Etat de l art sur les technques MPPT dans les applcatons photovoltaïques a pussance de fonctonnement des panneaux solares est facle à calculer. Elle vaut le produt tenson courant. Mas, la détermnaton de la pussance de référence est plus délcate vue que cette dernère est foncton des paramètres météorologques (température et éclarement). Cette référence varable, caractérsée par une foncton non lnéare, rend le fonctonnement à pussance maxmale plus dffcle à réalser. Alors, une commande pour la poursute du PPM s mpose. Cette commande, dte algorthme MPPT, peut être plus ou mons complquée. Elle est basée généralement sur l ajustement du rapport cyclque du convertsseur statque jusqu à se placer sur le PPM. Dfférentes méthodes MPPT ont été publées dans la lttérature afn d'obtenr un fonctonnement optmal. Beaucoup de chercheurs s ntéressent au rappel et à la comparason des dfférentes technques MPPT qu exstent dans la lttérature [2], [32-37]. BHATNAGAR cte plus de trente technques MPPT dans son artcle [2]. ESRAM et CHAPMAN comparent pluseurs algorthmes MPPT selon leurs dépendances des paramètres des panneaux solares et de leurs complextés d mplémentaton [36]. On peut classfer ces méthodes selon PASTOR par [25]: 41

54 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P e type d mplémentaton électronque : analogque, numérque ou mxte ; es paramètres d entrées de la commande : commandes MPPT fonctonnant à partr des paramètres d entrée ou de sorte du CS ; e type de recherche ou contrôle Premers types de commande MPPT BOEHRINGER a applqué la premère commande MPPT au P en 1968 [38]. C est un algorthme smple pouvant être mplanté numérquement (Fgure 2.13). Il est destné aux applcatons spatales qu avaent beaucoup mons de contrantes en varaton de température et d éclarement que les applcatons terrestres. Début, P P 0 0 P P 0 Mesure de I, Calcul de P cte Non P P 0 Ou cte Sorte Fgure Organgramme de la premère commande MPPT Méthode basée sur la mesure de la tenson en crcut ouvert Cette méthode se base sur l'utlsaton d'une cellule P comme consgne étalon. Cette cellule étalon, non chargée, placée à côté des modules P, mesure en temps réel la valeur de la tenson en crcut ouvert qu permettra de détermner la tenson de référence. Pour détermner le pont de 42

55 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P fonctonnement correspondant au pont de pussance maxmale en foncton de la tenson oc, on trace le graphe f opt. Cette foncton obtenue n'est pas lnéare. Pour faclter le calcul, on dot la rendre lnéare. Ce qu donne [39]: oc opt 0,7 0,328 (2.44) oc avec opt la tenson P correspondant au PPM. Malgré que le pont de fonctonnement sot proche de la pussance maxmale, quelques reproches à cette méthode sont soulevés: Dépendance totale de la cellule étalon qu peut subr des modfcatons et des anomales ; Non prse en compte des dérves de caractérstques des modules photovoltaïques ; a tenson précson. opt représente 75 à 95 % de la tenson oc, donc la lnéarsaton rédut la Méthode basée sur la mesure du courant en court-crcut Cette méthode se base sur le calcul d un courant de référence I opt en foncton du courant de court- crcut I sc par une relaton de proportonnalté donnée comme sut [40]: I opt k I (2.45) sc e courant I sc est mesuré pérodquement en effectuant des court-crcuts du GP. Cette méthode, ayant beson que d un seul capteur, s avère plus facle à mettre en œuvre et un peu mons coûteuse. Cependant, elle présente les nconvénents suvants: En réalté, le courant optmal vaut de 85 à 95 % du courant de court-crcut, donc ce n'est pas vrament lnéare ce qu mplque le manque de précson ; Non prse en compte des caractérstques du GP dues aux paramètres extéreurs ; Perte d'énerge pendant le temps des court-crcuts nécessares pour la mesure de la référence Algorthme de perturbaton et observaton algorthme de perturbaton et observaton (communément désgnée par P&O) est de type «hll clmbng» (mot anglas qu veut dre «grmper une collne»). Il est le plus utlsé dans la lttérature et surtout dans la pratque en rason de sa faclté de mse en œuvre. Cet algorthme a pour objectf 43

56 P (W) CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P de fare fonctonner le système à sa pussance maxmale par l ncrémentaton ou décrémentaton de la tenson du pont de fonctonnement et l'observaton de l'effet de cette perturbaton sur la pussance débtée par le GP. Selon cette observaton, l algorthme décde sur l acte à fare pendant la prochane tératon. Quatre cas de stuaton pour P&O sont envsagés par la fgure 2.14 et récaptulés dans le Tableau 2.2. Pmax PPM () opt Fgure Caractérstque de fonctonnement de la méthode P&O. Tableau 2.2. Prncpe de l algorthme P&O Cas n P P Sens de la poursute Bon Mauvas Mauvas Bon Acton de contrôle Incrémenter ref ref Incrémenter ref ref Décrémenter ref ref Décrémenter ref ref 'algorthme P&O (Fgure 2.15) a comme avantage la précson et la rapdté de réacton. Il permet de détermner le pont de pussance maxmale pour un ensolellement et une température ou un nveau de dégradaton des caractérstques. e problème avec cet algorthme est: l'oscllaton autour du PPM dans les condtons de fonctonnement normales. la mauvase convergence de l'algorthme dans le cas des varatons brusques de la température et/ou de l'ensolellement. 44

57 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Il faut noter que ces oscllatons peuvent être rédutes s on fxe un fable pas d ncrémentaton mas au détrment du temps de convergence. Alors, un comproms dot être fat entre précson et rapdté lors du chox de ce pas de mse à jour. Début Mesurer (k), I (k) P(k) -P(k-1)=0 Ou Non Non P(k) > P(k-1) Ou (k) > (k-1) (k) > (k-1) Ou ref ref Non ref ref Non Ou ref ref ref ref Mse à jour (k-1)= (k) I (k-1)= I (k) Retour Algorthme Hll Clmbng Fgure Organgramme de la méthode P&O a technque Hll Clmbng (HC) [41, 42] est une méthode mathématque d optmsaton. Comme son nom l ndque, elle fat monter le pont de fonctonnement le long d une caractérstque pour attendre le maxmum de la foncton pussance du GP contre le rapport cyclque du convertsseur (Fgure 2.16). a perturbaton est applquée pour pluseurs tératons sur le paramètre en l ncrémentant ou en le décrémentant de jusqu à avor la dérvée dp d nulle. a fgure 2.17 présente l algorthme d exécuton de cette technque. a méthode HC est plus smple à mse en œuvre car elle possède une seule boucle de régulaton. Cependant, elle présente des oscllatons et peut même dverger lors du changement rapde des condtons atmosphérques. 45

58 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Fgure Prncpe de la méthode HC Début Mesure (k), I (k) Calcul de P(k)= (k). I (k) P(k+1) -P(k)=0 Ou Non P(k+1) -P(k)>0 Non Complément de sgn Ou α k + 1 = α k + α sgn Fgure Algorthme de la méthode HC Algorthme d'ncrémentaton de la conductance algorthme d'ncrémentaton de conductance (IncCond), appelée dans la lttérature anglo-saxonne «Incremental Conductance», est auss l une des technques de «HC» où la commande MPPT essaye de fare monter le pont de fonctonnement (PF) du GP le long de la caractérstque P- jusqu à attendre le PPM. Elle permet la recherche du PPM en se basant sur l'égalté de la conductance ( G I ) et de l'ncrémentaton de la conductance G I (vor la fgure 46

59 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P 2.18). Cet algorthme nécesste la connassance de la valeur ntale du PF ( ref jour de la tenson de référence ( ) (Fgure 2.19). ) et le pas de mse à a pussance maxmale est obtenue lorsque la dérvée de la pussance du GP par rapport à la tenson s annule: dp di I I I d d (2.46) En comparant la conductance et l'ncrément de la conductance, tros postons du PF peuvent être dstnguées : Fgure Caractérstque de fonctonnement de la méthode IncCond dp I I S 0,le PF est sur le PPM d dp I I S 0, le PF est à gauche du PPM d dp I I S 0, le PF est à drote du PPM d (2.47) avantage de cet algorthme est la précson et la vtesse de recherche du PPM quand les condtons atmosphérques changent rapdement. Cec peut être un remède au problème de l algorthme P&O [43]. Cet algorthme présente des dffcultés de mse en œuvre due à la complexté du crcut de commande et le calcul en temps réel de la dérvée nécesste un processeur de calcul rapde [43]. Autrement dt, l exécuton de la commande IncCond nécesste plus de temps par rapport P&O. Pratquement, même IncCond présente des oscllatons autour du PPM. Une comparason sur le rendement MPPT entre les deux technques les plus utlsées P&O et IncCond est fate par la référence [44]. e résultat trouvé est de 89,9% pour IncCond contre 81,5% pour P&O. 47

60 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Début Mesurer (k), I (k) Δ=(k)-(k-1) ΔI=I(k)-I(k-1) = 0 Ou Non Ou I + I = 0 I = 0 Ou Non Non Non I + I > 0 I > 0 Non Ou Ou Ou ref ref ref ref ref ref ref ref Mse à jour (k-1)= (k) I (k-1)= I (k) Retour Fgure Organgramme de la méthode IncCond Commande MPPT par la logque floue a mse en œuvre de la commande logque floue (Fuzzy ogc Control) se fat en tros étapes: la fuzzfcaton, la lecture de la table de vérté et la défuzzfcaton. es varables d entrées sont généralement l erreur E et le changement d erreur E et la varable de sorte est la varaton du rapport cyclque. En partculer, dans le cas de la poursute du PPM, l erreur E et le changement d erreur tenson comme sut [45] : E sont calculés en foncton des valeurs nstantanées de la pussance et de la E n P n n Pn 1 n 1 (2.48) 1 E n E n E n (2.49) 48

61 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Fgure Structure de base de la commande floue. Durant la fuzzfcaton, les varables d entrées numérques sont convertes en varables lngustques pouvant prendre les cnq valeurs suvantes (Fgure 2.20): NB (Negatve Bg), NS (Negatve Small), ZE (Zero), PS (Postve Small), PB (Postve Bg). Il exste des commandes qu ajoutent aux valeurs précédentes deux autres valeurs qu sont : NM (Negatve Means) et PM (Postve Means). En foncton de leurs évolutons et d une table de vérté comme ndquée dans le tableau 2.3, une valeur est attrbuée au paramètre de sorte. Tableau 2.3. Exemple d une table de règles pour une commande logque floue E ΔE NB NS ZE PS PB NB ZE ZE NB NB NB NS ZE ZE NS NS NS ZE NS ZE ZE ZE PS PS PS PS PS ZE ZE PB PB PB PB ZE ZE a varable lngustque assgnée à exemple, s les varables d entrée ( E et, dépend des dfférentes combnasons entre E et E. Par E ), ont comme valeur PB et ZE correspondant à un PF très élogné du PPM, d après la table de vérté la valeur donnée à la varable de sorte est PB, ce qu mplque une forte varaton postve du rapport cyclque pour attendre le PPM. En résumé, les varatons du rapport cyclque dépendent de la dfférence de poston entre le PF et un PPM. Ans, dès que ce derner s approche du PPM, les ncréments applqués à PPM. a défuzzfcaton, consste à convertr la varable de sorte une varable numérque. s affnent jusqu à attendre le d une varable lngustque en 49

62 I (A) CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P avantage de ces technques est qu elles peuvent fonctonner avec des valeurs d entrées peu précses et qu elles n ont pas beson de modèle mathématque de grande précson. De plus, elles peuvent trater des non-lnéartés Commande P&O amélorée a commande P&O classque recherche le PPM en fasant une perturbaton sur la tenson du GP. S la tenson est perturbée dans une drecton donnée, et cette perturbaton engendre une augmentaton de la pussance. Cela sgnfe que le PF est déplacé vers le PPM. Par conséquent, la tenson de fonctonnement dot être encore perturbée dans la même drecton. Snon, s la pussance dmnue, le PF s élogne du PPM ; et par conséquent, la drecton de la perturbaton dot être nversée. a procédure contnue jusqu à ce que le PPM sot attente et le PF reste oscllant autour de ce PPM. C' C B D A A' G1 G2 () Fgure Dvergence de P&O et IncCond classques lors des changements brusques de l éclarement a technque P&O amélorée utlse le prncpe de la caractérstque I- du panneau solare pour évter la dvergence dans le cas de changement brusque des condtons atmosphérques [3]. Pour des condtons de fonctonnement fxes d éclarement et de température, une perturbaton sur la tenson engendre une perturbaton de sens opposé sur le courant, comme le montre la fgure Snon, le système s est déplacé en changement rapde des condtons clmatques. Par conséquent, l est oblgatore de changer la drecton de perturbaton pour évter la dvergence. Ce prncpe est explqué dans la fgure 2.21, consdérant deux nveaux d ensolellement G1 G2. S le PF se 50

63 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P déplace de A vers A ou de C vers C, le système est dans des condtons normales. Cependant, s le PF se déplace de A vers B ou de C vers D, le système est dans des condtons de changement brusque. a fgure 2.22 llustre l organgramme de P&O modfé. Début Mesurer (k), I (k) Ou P(k) > P(k-1) Non Non (k) > (k-1) (k) > (k-1) Ou Ou I(k) > I(k-1) Non Ou Non I(k) > I(k-1) Ou Non ref = ref + ref = ref 2 ref = ref + 1 ref ref ref ref Mse à jour (k-1)= (k) I (k-1)= I (k) Retour Fgure Organgramme de P&O modfé Commande IncCond amélorée a commande IncCond modfée amélore la poursute du PPM par rapport à la commande IncCond classque en utlsant le prncpe de la caractérstque courant-tenson llustré dans la fgure S en fasant une perturbaton postve ou négatve sur la tenson du panneau et on observe respectvement une varaton postve ou négatve sur le courant, on dt que le système est dans le cas de changement rapde. Par conséquent, l acte à applquer dot être le contrare de celu de l algorthme classque. Plus de détals est présenté sur l algorthme de la fgure

64 CHAPITRE 02 INTERFACES D EECTRONIQUE DE PUISSANCE POUR OPTIMISATION DES SYSTEMES P Début Mesurer (k), I (k) Δ=(k)-(k-1) ΔI=I(k)-I(k-1) = 0 Ou I = 0 Ou Ou Non I + I = 0 Non Non Ou > 0 & I > 0 Ou I + I > 0 I > 0 Non Non Non < 0 & I < 0 Non Ou ref = ref + 1 Ou ref ref ref ref ref = ref 2 ref ref Mse à jour (k-1)= (k) I (k-1)= I (k) Retour Fgure Organgramme d IncCond modfé 2.6. Concluson Dans ce chaptre, l ntérêt de l étage d adaptaton dans la chane de converson P a été abordé. Cet étage consste en un convertsseur DC/DC avec un algorthme de commande. Dfférentes topologes de convertsseurs DC/DC non solés ont été comparées. a structure de type Boost a été adoptée pour sa smplcté et son gan en tenson relatvement plus élevé. Quelques méthodes de poursute de la pussance maxmale ctées dans la lttérature depus 1968 sont présentées. Des améloratons sur les méthodes Perturbaton et observaton P&O et l ncrémentaton de la conductance IncCond, pour corrger la dvergence en cas de changement brusque d éclarement, ont été présentées. a commande MPPT basée sur le mode de glssement présentant de melleures performances par rapport aux autres sera décrte en détal dans le chaptre suvant. 52

65 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Chaptre 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT 3.1. Introducton a commande par mode glssant est un contrôle de type non lnéare. Elle a été ntrodute ntalement pour le contrôle des systèmes à structure varable (SS). Elle est caractérsée par la dscontnuté de la commande aux passages par une surface de commutaton appelée : surface de glssement. 'avantage prncpal de la commande à structure varable avec le mode glssant est la robustesse vs-à-vs du changement des paramètres ou des perturbatons. De plus, la commande par mode glssant est relatvement facle à mettre en œuvre par rapport à d autres types de commandes non lnéares. Ces proprétés font que cette lo de commande sot adaptée à de nombreuses applcatons ndustrelles, comme dans les domanes de l'automoble ou de l aéronautque [46]. a technque SMC est généralement utlsée pour la commande des convertsseurs d électronque de pussance qu consttuent des SS [47, 48]. Récemment, quelques-unes de ces méthodes ont été utlsées dans des systèmes P prncpalement pour réguler le courant njecté dans le réseau [11]. D autres ont été utlsées dans l objectf de réguler un courant ou une tenson à une grandeur de référence obtenue par des technques MPPT telles que : P&O ou IncCond. a référence [11] propose une technque d extracton de la pussance P maxmale basée sur la méthode SMC utlsant deux boucles de commande. Une boucle nterne consste en la régulaton par mode glssant du courant traversant le condensateur d entrée mse en parallèle avec la source P et une boucle externe génère la tenson optmale de référence obtenue avec P&O. Même dée est répétée dans la référence [9] sauf que le paramètre prncpal qu est le courant dans la capacté d entrée est remplacé par le courant crculant dans l nductance. Ces méthodes sont souvent utlsées pour réguler une grandeur de référence obtenue avec une autre technque telle que P&O ou IncCond qu rendent le système plus complexe. CHEN et al utlsent une MPPT drecte basée sur une SMC pure sans fare appel à d autres technques. a surface de commutaton chose est la dérvée de la pussance par rapport au courant [10]. C est dans le contexte de rédure la complexté des systèmes P et dans l objectf d extrare le maxmum de pussance des panneaux P que s nscrt le traval de cette thèse. Contrarement à l étude menée par CHEN et al, la surface de commutaton adoptée est 53

66 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT la dérvée de la pussance par rapport à la tenson, ans que l utlsaton de deux pas d ncrémentaton dfférents accélère la poursute du PPM. Ce chaptre est consacré aux rappels théorques sur la commande par mode glssant, ans qu'à l'applcaton de ce type de commande dans le domane d extracton de la pussance P maxmale pour une structure basée sur un convertsseur Buck-Boost. Pour valder cette nouvelle méthode, des smulatons sont fates sous envronnement Matlab/Smulnk en tenant compte des varatons des condtons atmosphérques comme l éclarement et la température Système à structure varable Un SS est le système dont la structure change pendant son fonctonnement. Il est caractérsé par le chox d une foncton et d une logque de commutaton. Ce chox permet au système de commuter d une structure à une autre à tout nstant. Dans la commande des SS par mode de glssement, la trajectore d état est amenée vers une surface, pus à l ade de la lo de commutaton, elle est oblgée de rester au vosnage de cette surface de glssement. Des contrôleurs à structure varable ont fat leur apparton dans la lttérature sovétque [49, 50]. Dans les SS, on peut trouver deux confguratons de base dfférentes. a premère change la structure par commutaton entre deux retours d'état dfférents (Fgure 3.1). a deuxème confguraton appelée : «confguraton par commutaton au nveau de l'organe de commande» est la plus smple. Elle modfe la structure du système par smple commutaton d nterrupteurs (Fgure 3.2), ce qu est le cas de tous les convertsseurs statques [51]. Pour la premère confguraton, la commande est donnée par : k 1 x s S x 0 u k2 x s S x 0 (3.1) En mode glssant, le système évolue sur la surface de glssement, par conséquent Sx 0. a seconde confguraton nécesste un organe de commande qu possède une acton à deux postons avec une commutaton rapde d'une poston à l'autre. a commutaton entre ces deux valeurs est mposée par la lo de commutaton selon : u u u s S x 0 s S x 0 (3.2) 54

67 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure 3.1. Confguraton par commutaton au nveau de la contre-réacton d'état Fgure 3.2. Confguraton par commutaton au nveau de l'organe de Commande 3.3. Commande par mode de glssement Prncpe a commande par mode glssant est une commande robuste basée sur le concept de changement de structure du contrôleur avec l'état du système afn d'obtenr la réponse désrée [50]. e contrôleur par mode glssant se base sur l'hypothèse d'une hystéréss nulle sur la surface de glssement S x, t 0 et donc sur une fréquence de commutaton varable et théorquement nfne. Il est clar que, du pont de vue pratque, l n'est pas possble de vérfer cette hypothèse. En rason des lmtatons technologques lées à l utlsaton de fréquences de commutaton élevées, l est préférable de lmter cette fréquence. 'dée est de dvser l'espace d'état par une frontère de décson appelée : «surface de glssement». Cette surface délmte deux sous-espaces correspondant à deux états possbles de l'organe de commande (Fgure 3.3). a stablsaton sur la surface de glssement est obtenue à l'ade d'une commutaton à chaque franchssement de la frontère de décson. Ce prncpe de commande repose donc essentellement sur l'utlsaton d'une commande dscontnue afn de mantenr l'évoluton du système sur une surface de glssement judceusement 55

68 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT chose. a synthèse dot donc vser à rendre la surface de glssement attractve (condton d attractvté) depus tout pont de l'espace d'état. Une fos la surface attente, l faut assurer le glssement le long de cette surface (condton de glssement) et la stablté du système (condton de stablté). En d'autres termes, l faut trouver la condton pour laquelle la dynamque du système glsse sur la surface vers le pont d'équlbre désré (Fgure 3.3). Sur la surface, la dynamque du système est ndépendante de celle du processus ntal, ce qu mplque que ce type de contrôle entre dans le domane des commandes robustes. Ces notons de stablté sont démontrées en tenant compte du prncpe de stablté suvant le crtère de YAPUNO (théorème 1). = + x 1 + Condton d attractvté S > 0 S < 0 Condton d exstence Condton de stablté Pont d équlbre = _ S _ S x 2 Surface de glssement S = 0 Fgure 3.3. Prncpe de la commande par mode glssant. Pour chaque nterrupteur, la commande est effectuée par un comparateur à hystéréss. e sens de l hystéréss dot être chos de manère à ce que le changement d état ramène la trajectore à l ntéreur de la fourchette. Ans, on peut être amené à chosr : 1 1 s S x S u s S x S 2 (3.3) Théorème 1 : Sot x une foncton dfférentable de n dans n, dte foncton de YAPUNO, qu satsfat les condtons suvantes [52] : 0 0 x 0 x 0 x 0 x 0 (3.4) 56

69 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT S ces tros condtons sont satsfates, x 0 est un pont d'équlbre stable. S la dernère condton devent x 0 pour x 0, le pont x 0 est asymptotquement stable. Dans le cas de la commande par mode glssant, cette foncton de YAPUNO est dédute à l'ade d'une pseudo-sorte qu est la surface de glssement S x, t Objectf de la commande par mode glssant 'objectf de la commande par mode glssant se résume en deux ponts essentels: Synthétser une surface S x, t telle que toutes les trajectores du système obéssent à un comportement désré de poursute, régulaton et stablté ; Détermner une lo de commande (commutaton) u x, t qu est capable d'attrer toutes les trajectores d'état vers la surface de glssement et les mantenr sur cette surface Chox de la surface de glssement a surface S x représente le comportement dynamque désré du système. SOTINE propose une forme d équaton générale pour détermner la surface de glssement qu assure la convergence d une varable vers sa valeur désrée [53]: S x x t r1 e( x) (3.5) Où: e x : Écart de la varable à régler, ref e x x x x : Constante postve qu nterprète la bande passante du contrôle désré. r : Degré relatf, égal au nombre de fos qu l faut dérver la sorte pour fare apparaître la commande. Sx 0 : est une équaton dfférentelle lnéare dont l unque soluton est ex Condton d exstence du glssement a condton d'exstence du régme glssant S x, t 0 se tradut par [54, 48] : lm S S 0 (3.6) S0 Ces condtons sont dédutes du théorème (1) en applquant le crtère de stablté de YAPUNO dans 57

70 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT un vosnage de la surface de glssement et en prenant 2 S x comme foncton canddate de 2 YAPUNO. Dans ce cas, la dérvée de la foncton de YAPUNO est égale à S S. es condtons de YAPUNO énoncées dans le théorème 1 sont vérfées s S et S sont de sgnes opposés. A noter que ces dernères condtons devennent des condtons suffsantes pour assurer l'attractvté de la surface s elles sont valables sur tout l'espace d'état et non seulement dans une régon proche de la surface de glssement Méthode de la commande équvalente a courbe en zg-zag entre u et u llustrée dans la fgure 3.3 est la trajectore d état réelle (pratque) du système. Elle entoure la drote S 0 qu est la trajectore d état déale (théorque) ou de référence. Il est possble de subdvser le déplacement de la trajectore réelle en deux composantes ; une composante à haute fréquence et une composante à basse fréquence. a composante à haute fréquence est une trajectore dscontnue qu alterne entre u et u, alors que la composante basse fréquence forme une trajectore contnu qu se déplace le long de la surface de glssement. Néglgeant la composante de commutaton rapde souvent fltrée, la trajectore d état sera alors détermnée par la composante de commutaton lente. C est ce qu on appelle la commande équvalente, qu on peut nterpréter comme la valeur moyenne que prend la grandeur de commande lors de la commutaton rapde entre u et u comme représenté schématquement à la fgure 3.4. a commande équvalente rend la surface de commutaton nvarante dans le temps S 0 [55]. Fgure 3.4. Commande équvalente comme valeur moyenne de commutaton entre u et u Consdérons à ttre d'exemple le système rég par l équaton dfférentelle suvante :,, x f x t g x t u (3.7) 58

71 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Admettons que le régme de glssement exste sur la surface de commutaton S x, t 0, sa dérvée est donnée par: ds x, t 1 S S S S S dx dt x dt dt x t x t (3.8) Sot S le gradent de S, alors : S S S S. x S. f x, t S. g x, t. u t t (3.9) En mode de glssement et en régme permanent, la dérvée de la surface est nulle (car sa prmtve est égale à zéro). Cette condton permet de détermner la commande équvalente pour mantenr la trajectore d état sur cette surface. Il faut donc résoudre : S S. f x, t S. g x, tueq 0 t (3.10) Ans, nous obtenons : 1 S ueq S. g x, t S. f x, t t (3.11) Ou, nous pouvons l exprmer de la façon suvante: u eq,,, g x, t S x f x t (3.12) S x Où.,. désgne le produt scalare. Il est alors possble d exprmer la dynamque du système sur la surface de glssement par : 1 x f x, t g x, t S. g x, t S. f x, t S( x) t (3.13) a commande par mode glssant se compose de deux termes, une commande dscontnue en foncton du sgne de la surface de glssement caractérsant la dynamque du système sur la surface de glssement. u n et une commande dte équvalente u eq u u u (3.14) eq n u n correspond à la composante non lnéare. Elle est détermnée pour garantr l attractvté de la varable à contrôler vers la surface de glssement et satsfare la condton de convergence. 59

72 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT De (3.7), (3.8), et (3.14) on peut écrre : S xs x 0 (3.15) S S S S x f x, t g x, t. ueq g x, t. un x x t (3.16) En utlsant la condton du mode de glssement, l expresson (3.16) devent : e problème revent à trouver u n tel que : S S x g x, t. u n (3.17) x S S x. S x S x. g x, t. un 0 x (3.18) a soluton la plus smple vérfant cette condton est donnée par la foncton sgne «sgn» llustrée à la fgure 3.5. un k. sgn S x (3.19) Fgure 3.5 Représentaton de la foncton sgne En remplaçant l expresson (3.19) dans (3.18), on obtent : S S x S x S x g x, t k sgn S x 0 x (3.20) S g x t x Où le facteur., est toujours négatf pour la classe de système que nous consdérons. e gan k est chos postf pour satsfare la condton (3.20). e chox de ce gan est très nfluent car, s l est très pett le temps de réponse sera très long et, s l est chos très grand, nous aurons de fortes oscllatons au nveau de l organe de commande. Ces oscllatons peuvent excter les dynamques néglgées (phénomène de Chatterng), ou même détérorer l organe de commande [54]. 60

73 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT 3.4. Etude d une structure P basée sur un convertsseur de type Buck-Boost Descrpton de la structure P à base d un convertsseur Buck-Boost Dans cette parte, on s ntéressera à l applcaton de la lo de commande basée sur la nouvelle technque MPPT développée pour la chane de converson P utlsant un convertsseur Buck-Boost (Fgure 3.6) dont les équatons en mode de conducton contnue seront étables plus tard. orsqu on parle de mode de conducton contnue, le courant passant dans l nductance ne s annule jamas. Une dode ant-retour est nsérée à la sorte du GP pour assurer une durée de ve plus longue des panneaux. Cette dode est ndspensable pour évter le retour d un courant sur le GP dans le cas où la charge devent génératrce (par exemple une battere pendant la nut). nterrupteur prncpal du convertsseur est un IGBT avec une fréquence de commutaton de f 10 khz. es capactés d entrée et de sorte et l nductance sont utlsés comme fltres : 5mH, C1 1000F, C2 470F. u 0 G I K u 1 D T G P C 1 C 2 o R MPPT + MI I Fgure 3.6. Chane de converson P à base d un convertsseur de type Buck-Boost Modèle mathématque et caractérstques du GP Sot un GP composé de N p branches en parallèles, chaque branche content Ns modules en sére. Généralement, un module P est consttué d un ensemble de cellules en sére. Par l assocaton sére/parallèle du crcut de la fgure 1.2, on obtent le crcut équvalent du GP (Fgure 3.7). S on suppose que toutes les cellules sont dentques et fonctonnent dans les mêmes condtons, alors le modèle mathématque du GP peut être donné par les équatons suvantes [5, 18]: 61

74 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure 3.7. Crcut équvalent d un GP N s N s R I R I N p N p I N p ph N p Is exp 1 ns v t N s R p N p k T T * * ph sc I s s s v G * G * * sc k T T * * voc k T T exp 1 nv s t (3.21) (3.22) (3.23) v t a k T q b (3.24) Où: n v s est la tenson du GP, I N est le courant du GP, p n s est le nombre de cellules en sére, R s et R p sont respectvement les résstances sére et parallèle du module P, k v est le coeffcent de température pour la tenson en crcut ouvert, v t est le potentel thermodynamque, On obtent une foncton mplcte de la forme : I f I,, G, T (3.25) 62

75 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT a résstance sére dot être plus pette que possble et la résstance shunt dot être très grande pour que le maxmum de courant sot délvré pour la charge. On met l équaton (3.25) régssant le comportement électrque du GP en un schéma-bloc (Fgure 3.8) comportant quatre varables. es deux varables d entrée sont : G et T es deux varables de sorte sont : I et Fgure 3.8. Schéma bloc du GP Dans le présent traval, les modules solares de type MSX-60 (60W) du fabrcant Solarex sont sélectonnés. es caractérstques prncpales de ces modules sont présentées dans le Tableau 3.1. es caractérstques du module MSX-60 (I-, P-), pour dfférents nveaux d éclarement et pour des températures varables, sont présentées respectvement dans les fgures 3.9 et Ces caractérstques sont obtenues par smulaton sous envronnement MATAB avec les paramètres suvants : Rs 0,357, R 151, n 36, a 1, k 0,003% / C. p s * oc 21,1, I * sc 3,8A, k 0,08 / C, v Tableau 3.1. Caractérstques Prncpales du Module MSX 60 Pussance maxmale aux condtons STC P max 60 W Tenson du crcut ouvert oc 21.1 Courant de court-crcut I sc 3.8 A Tenson au PPM mpp 17.1 Courant au PPM I 3.5 A mpp Coeffcent de température pour oc Coeffcent de température pour I sc / C %/ C 63

76 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure 3.9. Caractérstques du module MSX 60 pour dfférents éclarements, T 25 C Fgure Caractérstques du module MSX 60 pour dfférentes températures, G 1000 W / m Modélsaton du convertsseur Buck-Boost Un convertsseur Buck-Boost (Fgure 3.11) est une almentaton à découpage. Il convertt une tenson contnue en une autre tenson contnue de plus fable ou plus grande valeur mas de polarté nverse. Son fonctonnement en conducton contnue comprend deux séquences selon que l nterrupteur commandable K sot fermé ou ouvert. 64

77 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Durant l état «on», l énerge apportée par la source (générateur P) est stockée dans l nductance. énerge stockée dans l nductance est lvrée ensute à la charge pendant l état «off». En rason de la présence de la dode D, le courant crcule à travers l nductance seulement dans une drecton dans les deux états. Par conséquent, la tenson aux bornes de la charge o a une polarté opposée à. u 0 I K u 1 D G P C 1 C 2 o R Fgure e Buck-Boost comme nterface entre un GP et une charge Premère séquence de fonctonnement est caractérsée par u 1, l nterrupteur fermé et la dode ouverte (Fgure 3.12). I G P C 1 C 2 o R Fgure Convertsseur Buck-Boost durant l état «on» En applquant les los de KIRCHHOFF, les équatons qu régssent le convertsseur sont données par: d I dt C C d dt do o dt RC2 1 1 (3.26) 65

78 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT a seconde séquence de fonctonnement est caractérsée par u 0, l nterrupteur ouvert et la dode fermée (Fgure 3.13). I G P C 1 C 2 o R Fgure Convertsseur Buck-Boost durant l état «off» e système d équatons qu régt le convertsseur à l état «off» est : d I dt C1 d o dt do o dt RC C 2 2 (3.27) A partr des deux systèmes d équatons précédents (3.26) et (3.27), le modèle mathématque du hacheur Buck-Boost est dédut [56]: d I. u dt C1 C1 d o o. u dt d o o dt RC C C u (3.28) u étant l état de l nterrupteur K, et s on pose Tr x x x x, avec T r la o transposée d une matrce, alors l ensemble d équatons (3.28) peut se mettre sous la forme : dx x f x, t g x, t. u h (3.29) dt Avec Tr 66

79 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT x 2 I C 1 C1 x3 x1 x 3 f x 0 0, g x, h 0 0 x x x C2 RC 2 C 2 e rapport entre la tenson d entrée et celle de sorte est donné par: o 1 (3.30) o de commande basée sur le mode glssant a synthèse d'un contrôleur par mode glssant se décompose en pluseurs étapes [52]: le chox de la surface de glssement, la vérfcaton de l'attractvté de la surface de glssement, la démonstraton de l'exstence du mode de glssement, l'étude de la stablté de la commande sur la surface de glssement. a condton du pont de pussance maxmale PPM est donnée par : dp 0 d (3.31) a premère étape dans la concepton de la commande est le chox de la surface de commutaton, qu peut être sélectonnée de la façon suvante: dp di S x I d d (3.32) S on reprend c la caractérstque P- du GP pour des condtons météorologques données, fgure Selon la pente de la courbe, on peut dvser la fgure en deux zones séparées par le pont PPM Sx 0, zone 1 pour laquelle la pente est postve Sx 0, et zone 2 pour laquelle la pente est négatve Sx 0. S par exemple, le PF se trouve à gauche du PPM, la commande dot le déplacer vers la surface de glssement en ncrémentant la tenson et s au contrare, le PF se trouve à drote du PPM, la commande dot le déplacer vers la surface de glssement en 67

80 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT décrémentant la tenson présentée par l équaton:. Pour cela, la lo de commande de commutaton adoptée est celle 0 pour S x 0 u 1 pour S x 0 (3.33) Qu peut s écrre auss : 1 u 1 sgns (3.34) 2 Fgure Caractérstque pussance-tenson typque On peut nommer l approche de contrôle exprmée par l expresson (3.34), «commande par mode glssant conventonnelle». expresson (3.21) donne la relaton entre le courant I et la tenson. Cette équaton comprend quelques paramètres comme I ph et I s qu ne peuvent pas être détermnés depus les données ncluses dans le catalogue du fabrcant. Pour qu on pusse rendre utle cette expresson, on fat quelques hypothèses smplfcatrces. Dans le cas déal, devent : Rs étant néglgeable et R p tend vers l nfne, l expresson du courant P I N p I ph N p Is exp 1 ns vt (3.35) En court-crcut, 0 et I N p Isc, on remplace dans (3.35), on aura I ph I (3.36) sc Avec I sc le courant de court crcut d un module P. 68

81 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT S on suppose que, exp 1, on peut écrre : ns vt I N p Isc N p Is exp nv s t (3.37) En crcut ouvert, I 0 et Ns oc, on remplace dans (3.37), on aura I s N s oc Isc exp nv s t (3.38) Substtuant (3.38) dans (3.37), on aura une nouvelle expresson du courant P. N s oc I N p I sc N p I sc exp nv s t (3.39) On aura beson de la dérvée du courant par rapport à la tenson di N p I sc N s oc exp d ns v t ns v t (3.40) Substtuant (3.39) et (3.40) dans (3.32) di N p Isc Nsoc S x I N p Isc N p Isc exp d ns vt ns vt (3.41) Pour détermner la condton de stablté sur la surface de glssement, on se sert de la noton de la commande équvalente. En utlsant les condtons d nvarance S 0 et S 0 [12, 57], on calcule l expresson de la commande équvalente u eq proposé par FIIPPO [58]. ds 1 S S S S S S S S x dx dt x x x x dt dt x t x t x x x (3.42) expresson (3.41) montre que S x est foncton de et non de et o, alors on peut écrre: S S S S 0 et 0 x x t x (3.43) S S x x x (3.44) D où x 1 0 (3.45) 69

82 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT a premère expresson de l équaton (3.29) donne : x 1 I ueq 0 C C (3.46) 1 1 Donc, l expresson de la commande équvalente est la suvante : u eq I (3.47) On conclut que le régme de glssement exstera s le convertsseur fonctonne en mode de conducton contnue à savor 0. Néanmons, la commande équvalente n est effcace qu une fos que la trajectore de l état du système a attent le mode glssant. Une approche de commande explcte dot être formulée pour amener la trajectore sur la surface de glssement pendant le mode de convergence. Cette approche est appelée la lo d attente (en anglas, Reachng aw). Une forme générale de la lo d attente est donnée par [59]: Où Q est une constante postve. n u ksgn S Qh S (3.48) a même référence donne tros cas partculers de l expresson (3.48) 1. lo d attente à taux constant : un ksgn S (3.49) avantage de cette lo est sa smplcté. Mas, s k est trop pett, le temps d attente sera trop long. De l autre coté, un k trop grand provoque un sévère chatterng. 2. lo d attente à taux constant plus proportonnel : 3. lo d attente à pussance : n u ksgn S QS (3.50) u Q S sgn S, 0 1 (3.51) n S on adopte pour la premère lo d attente, la commande par mode de glssement devent [60]: u u I k sgns k sgn I di eq d (3.52) Cette approche de contrôle s appelle : la commande par mode glssant équvalente à taux constant. 70

83 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT érfcaton de l exstence du mode glssant a. Théorème de YAPUNO Sot la foncton de YAPUNO quadratque défne postve 2 x 1 S x, pour que la surface 2 Sx 0 sot attractve sur tout le domane de fonctonnement, l sufft que la dérvée par rapport au temps de sot négatve (condton suffsante appelée : condton d attractvté ou d attegnablté): b. Preuve x S x S x 0, S x 0 (3.53) Pour démontrer ce théorème d exstence du mode de glssement, on consdère les deux zones de la fgure A partr de (3.41), on calcule la dérvée de S x : S N I N d n v n v n v dt x 2 exp p sc s oc s t s t s t (3.54) Zone 1 : Sx 0 S le PF se stue dans la zone 1, la tenson dot être augmentée pour attendre le PPM. Cela sgnfe d que 0 dt. En remplaçant dans (3.54), on aura S x 0, ce qu mplque 0 Zone 2 : Sx 0 S x S x. S le système fonctonne dans la zone 2, la tenson dot être dmnuée pour attendre le PPM. Cela d sgnfe que 0 dt S xs x 0.. En remplaçant dans (3.54), l vent que 0 S x, ce qu mplque On conclut que le mode de glssement exste et que le système est asymptotquement stable, quel que sot la localsaton du PF. a lo de commande applquée oblge la trajectore du système de se déplacer à partr de n mporte quel état ntal de la surface de glssement en un temps fn, et par la sute, de rester sur elle Applcaton de la technque mode de glssement équvalente objectf de ce paragraphe est de présenter les résultats de smulaton de la technque de commande par mode de glssement (SMC) et de la comparer à la technque P&O. a smulaton a 71

84 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT été fate grâce au logcel Matlab/Smulnk TM. Elle consste à fare varer les tros paramètres nfluant sur les chanes de converson P, à savor les condtons clmatques G, T et la charge R. es résultats obtenus sont présentés dans les fgures 3.15, 3.16, et 3.17 pour une durée de 1,5 secondes. Pour le test de chaque paramètre, on garde constant deux paramètres et on vare le trosème par un changement brusque à deux reprses 0,5s et 1s (profl en escaler). Chaque fgure présente une comparason de la pussance P entre les méthodes SMC et P &O. Un zoom est fat dans deux endrots, le premer au démarrage du profl pour llustrer le temps de réponse et le deuxème pour montrer les oscllatons autour du PPM. Premèrement, la commande du système solare SMC est testée pour des éclarements successves de 1000 W/m 2 à 0 s, 750 W/m 2 à 0,5 s, 500 W/m 2 à 1 s tout en fxant une charge de 2 Ω, et la température à 25 C. es résultats de smulaton correspondants sont montrés à la fgure On constate qu au démarrage du profl, le SMC traque le PPM avant P&O d une durée d envron de 290 ms. De plus, à chaque varaton, P&O perd envron 0,14 joule d énerge par rapport à SMC. et en régme établ, osclle autour du PPM entre 59,15 et 59,6. Un second test est fat pour le système P sous un éclarement constant de 1000 W/m 2 et une charge constante de 2 Ω, mas cette fos-c, on change la température de 0 C à 25 C pus à 50 C. a fgure 3.16 llustre les résultats de smulaton avec ces condtons. Cette fos-c la dfférence en temps de réponse est presque la même, elle est d envron de 280 ms. Auss, on vot que SMC corrge un peu la trajectore du PPM en vertu de P&O lors des régmes transtores. En régme permanent, P&O osclle autour du PPM entre 53,02 et 53,09 (pour l endrot zoomé). Pour le trosème test, les condtons de smulaton sont 1000 W/m 2, 25 C et un changement rapde de la charge de 2 Ω à 1,5 Ω et pus à 1 Ω. a fgure 3.17 montre les derners résultats. e temps de réponse de démarrage est de 15 ms (20 fos mons) pour SMC contre 304 ms pour P&O. es résultats montrent que les deux méthodes ne sont pas nfluées par la varaton de la résstance, sauf que P&O présente des pertes de pussance pendant l nstant de changement. A partr de ces résultats, on peut dre que la commande par mode de glssement attent le régme permanent en un temps très court dans l ordre de mllsecondes. Elle est plus rapde par rapport aux autres technques MPPT comme la méthode P&O et elle est mons oscllante. 72

85 P (W) P (W) P (W) CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT ,29 s SMC P&O temps (s) Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous un éclarement varable 60 0,28 s P&O SMC temps (s) 1.5 Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous une température varable 60 X: Y: , P&O SMC temps (s) Fgure Comparason de la pussance P entre SMC et P&O sous un changement de charge 73

86 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT 3.6. Analyse de la méthode proposée : Améloraton de la technque SMC Prncpe Comme on a vu auparavant que la méthode de contrôle par mode glssant admet deux régmes, mode d attractvté et mode de glssement. approche proposée nflue sur le mode d attractvté et amélore consdérablement le temps d attente du PPM. S on regarde ben la fgure 3.18, on peut constater quatre cas dfférents de fonctonnement. Zone 1, cas 1 : Quand PF se déplace dans la zone 1, du pont ( k 1 ) vers ( k ), on remarque qu l s approche davantage du PPM (Fgure 3.18, a), alors, à lu de contnuer dans la même drecton, c'est-à-dre, 1 ou k 1 k k k Zone 1, cas 2 : Quand PF se déplace toujours dans la zone 1, du pont ( k 1 ) vers ( k ), on constate qu l s élogne du PPM (Fgure 3.18, b). Dans ce cas, l dot changer de drecton et pour ne pas tomber dans le même pont ntal, on fat doubler le pas, 1 2 ou k k k k Zone 2, cas 1 : 1 2 Quand PF se déplace dans la zone 2, du pont ( k 1 ) vers ( k ), on remarque qu l s approche davantage du PPM (Fgure 3.18, c), alors, à lu de contnuer dans la même drecton, c'est-à-dre, 1 ou k 1 k k k Zone 2, cas 2 : Quand PF se déplace toujours dans la zone 2, du pont ( k 1 ) vers ( k ) et on constate qu l s écarte du PPM (Fgure 3.18, d), alors, dans ce cas on dot changer le sens de perturbaton tout en doublant le pas, k 1 k 2 ou k k 1 2 On conclut que le pas d ncrémentaton ou de décrémentaton dot être doublé quand P 0.e. 1 P k P k Avec : k, P k, k cyclque du convertsseur à l tératon k ; sont respectvement la tenson P, la pussance P, le rapport, sont respectvement le pas de perturbaton du rapport cyclque, de la tenson P ; P la varaton de pussance résultante de la perturbaton. 74

87 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure Dfférents cas de postonnement du PF dans la caractérstque P- du GP : Résultats de smulaton (a) Zone1, cas1; (b) Zone1, cas2; (c) Zone2, cas1; (d) Zone2, cas2. Pour valder la méthode proposée, des tests de robustesse ont été fats en consdérant les deux paramètres mportants nfluant sur la producton P qu sont : l éclarement et la température. Des profls trapézoïdaux ont été choss : Fgure 3.19 pour l éclarement et Fgure 3.23 pour la température. e système P, à base d un convertsseur de type Buck-Boost, almente une charge résstve de 30. e premer test est réalsé en fasant varer l éclarement tout en gardant la température fxe à 25 C. a fgure 3.20 montre l améloraton portée par la nouvelle méthode par rapport à la méthode SMC classque en termes de pussance. On remarque que juste au début, la SMC amélorée peut localser le PPM avant SMC classque d un temps de 0,04 s. De plus, une nette améloraton est constatée à l nstant 0,25 s à la fn de la pente descendante de l ensolellement là où on rencontre une pette défallance des deux algorthmes de poursute. a fgure 3.21 présente une comparason des allures de la surface de glssement obtenues par les deux algorthmes. Il est clar que le mode d attractvté dure mons longtemps pour rejondre le mode glssant pour la méthode 75

88 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT proposée que pour la méthode basque. a fgure 3.22 donne les résultats de smulaton de la pussance P, du courant, de la tenson et de la tenson de sorte du convertsseur obtenus avec l'algorthme de la méthode SMC amélorée. On remarque que la tenson est peu nfluencée par la varaton de l éclarement et que la tenson de sorte et celle d entrée du Buck-Boost sont de polartés nverses. Fgure Profl d rradaton trapézoïdal Fgure Comparason de la pussance P entre la méthode proposée et la méthode classque durant un profl d rradaton trapézoïdal e second test est réalsé cette fos-c en fxant l éclarement à 1000 W/m 2 et en varant la température selon un profl trapézoïdal comme le montre la fgure es fgures 3.24 et 3.25 montrent respectvement une comparason des formes d ondes de la pussance et de la surface de glssement obtenues par les deux algorthmes SMC de base et modfée. On remarque au début du profl que le PPM est traqué par SMC amélorée à l nstant 0,014 s et par SMC classque à l nstant 0,028 s. a fgure 3.26 llustre les allures obtenues par smulaton de la pussance P, du courant, 76

89 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT de la tenson, et de la tenson de charge, en utlsant l'algorthme de la méthode SMC proposée durant la varaton de température. On remarque que la pussance est nversement proportonnelle à la varaton de la température. En concluson, la méthode SMC amélorée garantt d excellentes performances dynamques et statques sous dfférentes condtons de fonctonnement. Fgure Comparason de la surface de glssement entre les méthodes proposée et classque durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Résultats de smulaton en utlsant la méthode proposée 77

90 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure Profl de température trapézoïdal Fgure Comparason de la pussance P entre les méthodes proposée et classque durant un profl de température trapézoïdal Fgure Comparason de la surface de glssement entre les méthodes proposée et classque durant un profl de température trapézoïdal 78

91 CHAPITRE 03 DEEOPPEMENT D UNE COMMANDE MPPT BASEE SUR E MODE GISSANT Fgure Résultats de smulaton de la méthode proposée pour un profl de température trapézoïdal 3.7. Concluson es panneaux photovoltaïques sont défns par leurs caractérstques courant/tenson et pussance/tenson qu sont fortement non lnéares. Ces caractérstques dépendent des condtons météorologques et de la charge. Elles n admettent qu un seul pont de fonctonnement optmal. analyse des dfférents convertsseurs statques et des dfférentes technques MPPT fate au chaptre précédent, nous a perms de fare un chox parm les convertsseurs et de développer une nouvelle méthode de recherche du pont de pussance maxmale basée sur le mode glssant (SMC amélorée). Ces méthodes MPPT (SMC conventonnelle et amélorée) sont applquées à une chane de converson P à base d un convertsseur Buck-Boost et valdées par smulaton numérque sous le logcel Matlab/Smulnk. es résultats de smulaton montrent clarement que la méthode proposée présente des performances melleures en régme statque et dynamque quelles que soent les condtons de fonctonnement. Dans le chaptre prochan, on contnue à valder cette nouvelle approche sur un nouveau système P à base d un convertsseur Boost par smulaton et par l expérmentaton.. 79

92 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Chaptre 04 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE 4.1. Introducton Un nouveau contrôleur MPPT numérque et son prncpe de fonctonnement ont été présentés dans le chaptre précédent. Il est valdé par smulaton sur une structure P à base de Buck-Boost. Après l analyse fate sur les convertsseurs non solés au chaptre deux, un convertsseur de type Boost est chos parm d autres pour sa smplcté et son melleur gan en tenson. e présent chaptre se focalsera sur l applcaton de ce nouveau contrôleur sur une archtecture de système P autonome à base d un Boost. On commence tout d abord par la modélsaton mathématque du Boost et le calcul de la commande équvalente correspondante. Par la sute, on présente les résultats de smulaton et expérmentaux avec dscusson Etude d une structure P basée sur un convertsseur de type Boost Descrpton de la structure P à base d un convertsseur Boost a sélecton du melleur élément de commutaton de pussance pour les convertsseurs statques repose sur deux aspects : la chute de tenson en conducton et la vtesse de commutaton [61]. En rason de ces aspects, l est préférable d'utlser le MOSFET ayant une vtesse de commutaton élevée pour les applcatons basse tenson telles que notre cas. Mas, les convertsseurs dsponbles dans le laboratore IAS, sont des convertsseurs mult-applcatons et sont construts avec des transstors IGBT. Alors, notre convertsseur est dmensonné selon le prototype ms à dsposton par le laboratore. Il est consttué d éléments passfs de fltrage, d une dode et d un IGBT. a nouvelle technque MPPT développée porte une améloraton sur la commande SMC. Elle est caractérsée par sa smplcté, sa rapdté de recherche du PPM et son ndépendance des paramètres du panneau solare. Cec lu accorde une très grande fablté. Cette commande applquée au Boost sert d adaptaton performante d mpédance et permet un transfert optmal de l énerge des panneaux solare vers le récepteur. Un modèle Smulnk et un prototype de laboratore 80

93 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE sont construts dans le but de vérfer par smulaton et de valder par l expérmentale la méthode MPPT proposée. Pour meux éclarcr notre contrbuton, une étude comparatve avec d autres technques MPPT est effectuée. es algorthmes utlsés pour la comparason sont P&O, IncCond, IncCond modfé, et SMC tradtonnel. es résultats de smulaton et expérmentaux confrment l apport avantageux du nouveau algorthme lors des changements brusques de l éclarement solare. a fgure 4.1 llustre le schéma de la chane de converson P à étuder. Avec cette structure, on peut se dspenser de la dode ant-retour. Cela permet d amondrr la complexté et le cout du système. G T G P I C 1 K u 0 u 1 D C 2 o R MPPT + MI I o Fgure 4.1. Chane de converson P à base d un convertsseur de type Boost Modélsaton du convertsseur Boost Un convertsseur Boost est une almentaton à découpage qu convertt une tenson contnue en une autre tenson contnue de plus grande valeur. Son fonctonnement en conducton contnue est déjà décrt dans Il comprend deux séquences selon que l nterrupteur commandable sot fermé ou ouvert. es fgures 4.2 (a, b, c) présentent respectvement la structure globale du Boost, la structure avec l nterrupteur fermé, la structure avec l nterrupteur ouvert. Pour modélser le convertsseur, on applque les los de KIRCHHOFF (lo des malles et lo des nœuds) aux crcuts électrques caractérsant les deux séquences de fonctonnement. Premère séquence est caractérsée par u 1, l nterrupteur fermé et la dode ouverte. es équatons qu régssent le convertsseur sont données par: 81

94 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE d dt do o dt RC 2 (4.1) I D C 1 K u 0 u 1 C 2 o R a) I I C 1 C 2 o R C 1 C 2 o R b) c) Fgure 4.2. Schéma électrque de base du convertsseur Boost a) structure globale, b) structure avec nterrupteur fermé, c) structure avec nterrupteur ouvert. Seconde séquence de fonctonnement est caractérsée par u 0, l nterrupteur ouvert et la dode fermée. e système d équatons qu régt le convertsseur à l état «off» est présenté c-après : d o dt do o dt RC C 2 2 (4.2) A partr des deux systèmes d équatons précédents (4.1) et (4.2), le modèle mathématque du hacheur Boost est dédut [47, 62]: 82

95 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE d o o u dt do o dt RC2 C2 C2 u (4.3) Tr S on pose x x x r, alors l expresson (4.3) peut s écrre: 1 2 o T dx 1 x2 x2. u dt dt RC2 C2 C2 dx x x x u (4.4) x x x 1 u x x2 1 x2 x1 0 C2 RC2 C 2 Avec (4.5) dx x f x, t g x, t. u h (4.6) dt x2 x2 0 f x, g x, h x x x C2 RC 2 C 2 e rapport entre la tenson d entrée et celle de la sorte est donné par: o 1 1 (4.7) Calcul de la commande équvalente On reprend la même méthode de calcul qu en expresson (3.41) donne la foncton mathématque de la surface de commutaton qu est foncton de qu est lu-même dépend de. En même temps S ne dépend pas de o. a dérvée de S peut être exprmée comme sut : S S S S S x 1 2 x x o x1 x2 o (4.8) S est foncton de qu est égal à x 1, en plus S ne dépend pas de o qu est égal à x 2, alors on peut écrre: 83

96 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE S x S 0 et 0 x 2 1 (4.9) Sot S S x x x (4.10) D où On annule alors le premer terme de l équaton (4.4) on aura : x 1 0 (4.11) x x (4.12) ueq 0 x Donc, l expresson de la commande équvalente applquée au Boost est la suvante : u eq 1 (4.13) o a commande globale par mode de glssement devent [63]: u u k sgns 1 k sgn I di eq o d (4.14) Résultats de smulaton e synoptque de la fgure 4.1 est ms sous l envronnement Matlab/Smulnk pour smulaton. e module P utlsé est de type MSX 60 délvrant dans les condtons standards de test (1000 W/m 2 et 25 C) une pussance maxmale de 60 W sous une tenson optmale de 17,1 et sous un courant optmal de 3,5 A. es caractérstques électrques de ce module sont données dans le Tableau 3.1. e convertsseur Boost est adopté pour sa smplcté et son gan en tenson. Il est conçu selon le prototype mse à dsposton par le laboratore IAS, Unversté de Poters, France. Ses paramètres sont 5mH, C1 1000F, C2 470F et la fréquence de commutaton est de f 10 khz. a résstance de la charge est fxée à 30. Dans ce chaptre, on chost pour valder la méthode proposée sot par smulaton sot par l expérmentaton le paramètre le plus nfluant sur la producton d électrcté P qu est l ensolellement. On adopte un profl de varaton trapézoïdal pour meux décder sur les performances de la technque en régme statque et dynamque. Ce profl prend la valeur de

97 P (W) CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE W/m 2 de 0 à 0,4 s, et commence à augmenter avec une pente constante pour attendre 1000 W/m 2 à 0,6 s, se poursut à ce nveau jusqu à 0,8 s, l descend avec la même pente pour attendre le premer nveau à 1 s, pus l est mantenu constant durant 0,2 s. a fgure 4.3 montre une comparason de la poursute du PPM de la méthode IncCond classque et modfée à la pussance théorque. On peut vor qu IncCond modfé présente de melleures performances qu IncCond classque en régme dynamque et surtout lors de la montée de l éclarement. a même comparason est fate pour les technques SMC classque et modfé. es résultats sont présentés dans la fgure 4.4. De cette fgure, on peut vor que SMC tradtonnelle montre une performance mons bonne que la nouvelle SMC en dmnuant le rayonnement solare et une performance encore plus fable lorsque le rayonnement solare est en augmentaton. Il est clar que les méthodes classques (IncCond & SMC) présentent une dvergence du PPM lors d un changement rapde des nveaux d'éclarement. Ce problème est résolu en adoptant l IncCond modfée et la nouvelle SMC. On peut conclure que les méthodes modfées amélorent les performances de ceux classques Pussance théorque IncCond IncCond modfée 30 28, , , temps (s) Fgure 4.3. Comparason de la pussance P entre IncCond et IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal 85

98 P (W) P (W) CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Pussance théorque SMC SMC amélorée temps (s) Fgure 4.4. Comparason de la pussance P entre SMC et SMC amélorée durant un profl d rradaton trapézoïdal Sur la fgure 4.5, le comportement de l IncCond modfée et SMC amélorée sous un profl trapézoïdal de l éclarement sont comparées avec la pussance déale du PPM. Un zoom est llustré dans un endrot de régme établ montre que le PPM obtenu par la nouvelle SMC est constante et proche de la valeur théorque, par contre le PPM trouvé par l IncCond modfé osclle entre 28,4 et 28,8 W. De plus, on remarque que le contrôleur proposé sut le PPM dx fos plus rapde que l'approche IncCond modfée Pussance théorque IncCond modfée SMC amélorée temps (s) Fgure 4.5. Comparason de la pussance P entre SMC amélorée et IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal 86

99 erreur de pussance CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE a fgure 4.6 donne une comparason des erreurs sur les pussances obtenues par l IncCond modfée et SMC amélorée par rapport à la pussance maxmale. On conclut que le système MPPT proposé offre de bonnes performances de converson en vertu de l'évoluton rapde du rayonnement solare IncCond modfée SMC amélorée temps (s) Fgure 4.6. Comparason des erreurs de SMC amélorée et IncCond modfée pendant un profl d rradaton trapézoïdal On termne ces résultats de smulaton par deux fgures (Fgure 4.7 pour IncCond modfée et Fgure 4.8 pour SMC amélorée) qu donnent l évoluton de la pussance P, courant I, tenson et la tenson aux bornes de la charge o. On remarque que la tenson est mons affectée par le changement de l éclarement contrarement au courant qu sut le profl de varaton. On constate que les formes d ondes des tensons de sorte et d entrée confrment que le convertsseur utlsé est un élévateur de tenson. On conclut que le SMC amélorée présente de bonnes performances en régme statque et dynamque relatvement à IncCond modfée. 87

100 P, 8*I, 2*, 2*o P,8* I, 2*, 2*o CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE P(W) I(A) () o() temps (s) Fgure 4.7. Résultats de smulaton d IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal P(W) I(A) () o() temps (s) 1.2 Fgure 4.8. Résultats de smulaton de la méthode proposée durant un changement d rradaton 4.3. Banc d essa et résultats expérmentaux Descrptf du banc d essa Un banc d essa expérmental a été conçu comme le montre la fgure 4.9. e prototype construt se compose d'une almentaton de tenson contnue programmable (TDK-ambda GEN ), une dode ant-retour afn de bloquer les courants vers le GP, un convertsseur DC/DC de type Boost 88

101 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE (élévateur de tenson) est plotée par une carte temps réel dspace DS1104 grâce à l envronnement Matlab/Smulnk TM. Une charge résstve est chose pour faclter l étude. a source programmable DC fonctonne comme émulateur P à la place des panneaux solares. Elle est lmtée par une tenson maxmale de 300 et par un courant maxmum de 11 A. a carte d acquston DS1104 fat la communcaton entre le système et un ordnateur en explotant les outls logcels Matlab/Smulnk et Control Desk. Auss, quelques accessores de mesure et de vsualsaton ont été utlsés : la pnce ampèremétrque EM PR30 pour capter le courant à la sorte du smulateur P ; le capteur dfférentel ST voes est utlsé pour mesurer la tenson d entrée et de sorte du convertsseur. Un amplfcateur opératonnel est utlsé pour amplfer les sgnaux de commande (0-5 ) générés par des convertsseurs analogque-numérque car les nveaux de tenson analogque en entrée ou en sorte sont ±10. es algorthmes MPPT ont été ms en œuvre dans la carte DS1104 pour générer le sgnal MI qu actonne la gâchette de l IGBT du Boost. Un osclloscope Tektronx sert pour la vsualsaton des dfférentes grandeurs du système. Fgure 4.9. Photographe du banc d essa expérmental Implémentaton des technques MPPT Un synoptque de l mplémentaton des technques de poursute MPPT est llustré dans la fgure A l ade de capteurs, on mesure le courant et la tenson aux bornes de la source P ans que la tenson de la charge. Ces mesures sont utlsées par l algorthme de la technque MPPT pour générer un sgnal MI pour commander le convertsseur. Ces sgnaux mesurés comportent beaucoup de bruts. Ils seront fltrés et ajustés en gan avant de les envoyer sur les convertsseurs 89

102 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE analogque/numérque (ADC : Analogc Dgtal Converter) dans la carte dspace. es fltres utlsés sont de type passe-bas servent à couper les hautes fréquences du convertsseur. C est cela qu permet d avor de vraes valeurs lors de chaque tératon des algorthmes. En plus, un sgnal de 1 sous Smulnk équvaut en entrée des ADC ou en sorte des DAC (Dgtal Analogc Converter) 10, ce qu justfe l utlsaton des gans de 10 (pour les ADC) et de 1/10 (pour les DAC) pour compenser les gans mposés par la dspace. Tout cela est explqué dans le bloc dagramme d nterface temps réel du système P (RTI : Real Tme Interface) programmé sous l envronnement Matlab/Smulnk comme le montre la fgure mplantaton en temps réel est assurée par une carte DS1104, un outl très utlsé dans la recherche scentfque. Un schéma structurant cette carte est donnée dans la fgure 4.12 [64]. A partr d un ordnateur, on peut programmer les paramètres d entrées du système comme l éclarement et la température. Un logcel Control Desk permet de suvre l évoluton du système ; par exemple, la poursute du PPM et donne même la possblté de modfcaton des paramètres nfluant sur le système. Un exemple de vue du logcel Control Desk lors de l applcaton de la méthode MPPT de type IncCond modfée est llustré en fgure Fgure Synoptque d mplémentaton de la technque MPPT proposée 90

103 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Fgure Structure de contrôle en temps réel Fgure Confguraton nterne de la carte dspace DS

104 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Fgure Exemple d écran du logcel Control Desk Emulateur photovoltaïque Depus la fgure 4.11, on trouve le sous-système d en haut nommé Emulateur. Un émulateur est nécessare pour fare des tests de valdaton d une archtecture quelconque sans recourr aux panneaux eux-mêmes. Il est plus mportant surtout dans des condtons clmatques défavorables comme le cas des régons qu ont le cel presque toujours couvert. émulateur utlsé dans cette étude (Fgure 4.14) est celu développé au laboratore IAS dans la référence [65]. Il est basé sur un modèle de référence décrt par les équatons de la secton et llustré dans la fgure Il permet d évaluer en même temps les effets de changement de température, d éclarement, confguraton du générateur (nombre de modules en sére ou en parallèle), ans que le phénomène d ombrage sur les caractérstques P. 92

105 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Fgure Schéma fonctonnel de l émulateur Fgure Modèle Smulnk du module P a parte contrôle utlse le retour de la tenson et du courant. Ans, à partr du modèle de référence le pont de fonctonnement de la charge connectée sut la caractérstque du panneau P à l ade d un régulateur de type proportonnel ntégral PI ayant les paramètres 93 K p et K. Il fat la régulaton de la tenson à la valeur de la tenson en crcut ouvert de référence donné par le bloc de sorte oc. Avec le même régulateur le courant I sut le courant de référence donné par le second bloc.

106 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE e trosème bloc ayant la sorte I m sert à générer les caractérstques pour comparason avec le pont de pussance maxmale de l émulateur Résultats des essas pratques Dans les tests pratques, le smulateur P est programmé pour fournr la pussance de tros modules (MSX 60 de Solarex). Chaque module délvre une pussance maxmum de 60 W. les spécfcatons électrques de ces modules sont llustrées dans la table 3.1. e PC utlsé est de type AMD Athlon (TM) XP2800 dsposant d un processeur pussant de vtesse d exécuton de 2,07 GHz et d une RAM de 2 GO. Il est confguré de telle sorte qu l pusse fonctonner en mode externe. e temps d échantllonnage du système est de Ts 100 µs. es prélèvements des PPM se font durant un temps qu est multple du temps d échantllonnage et égal à T 0,03 s. Une comparason est fate entre la méthode proposée et celle d IncCond modfée qu présente de bonnes performances par rapport à pluseurs autres technques. éclarement est le paramètre le plus nfluant sur le fonctonnement des panneaux P. Il est chos pour tester l effcacté de l algorthme proposé. Ce derner a utlsé un pas de perturbaton de d 0,04, contre des pas de perturbaton d IncCond modfée de d 0,004, d1 0,005, d2 0,0008. Un profl trapézoïdal de l ensolellement est consdéré tout en fxant la température à 25 C et la charge à 70. MPP es fgures 4.16 et 4.17 montrent les formes d ondes de la pussance P, courant I, tenson et la tenson aux bornes de la charge o pour l algorthme d IncCond modfé et le SMC modfé, respectvement. Elles confrment que le courant optmal est consdérablement affecté par le changement brusque de l éclarement, contrarement à la tenson optmal qu n est que légèrement affectée. Auss elles confrment que le convertsseur utlsé est un élévateur de tenson. Pour les performances de ces deux technques, l est clar que la nouvelle SMC est melleure qu IncCond modfée en régme transtore et en régme établ. On donne les échelles de lecture pour les résultats expérmentaux comme sut : 50 W/dv pour la pussance, 500 ma/dv pour le courant, 20 /dv pour les tensons. e rapport cyclque du convertsseur en utlsant la nouvelle technque est llustré à la fgure 4.18, l a une forme trapézoïdale allant de 0,42 à 0,57 en valeur moyenne lorsque l éclarement vare de 500 W/m 2 à 1000 W/m 2. Un sgnal MI correspondant d ampltude de 5 est présenté dans la fgure Suv d un relevé expérmental de la poursute du PPM en fgure a fgure 4.21 montre les allures de la pussance, courant, tenson et tenson de sorte en utlsant 5 modules au leu de 3 pour les mêmes condtons de fonctonnement. 94

107 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Pour ben llustrer la rapdté en temps de convergence du système MPPT proposé, on teste les deux technques sur un profl de type échelon montant de 500 W/m 2 à 1000 W/m 2. es fgures 4.22 et 4.23 montrent les formes d ondes de la pussance P, courant I, tenson et la tenson aux bornes de la charge o pour l algorthme d IncCond modfé et le SMC modfé, respectvement. De ces fgures, on peut conclure que le temps de convergence en utlsant la méthode proposée est quatre fos plus rapde qu en utlsant IncCond modfée. Fgure Résultats expérmentaux d IncCond modfée durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Résultats expérmentaux de la méthode proposée durant un profl d rradaton trapézoïdal 95

108 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Fgure Mesure expérmental du rapport cyclque du convertsseur pour l algorthme proposé durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Mesure expérmentale du sgnal MI de l IGBT en utlsant l algorthme proposé durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Mesure expérmentale de la poursute du PPM en utlsant l algorthme proposé durant un profl d rradaton trapézoïdal 96

109 CHAPITRE 4 IMPEMENTATION PRATIQUE DE A TECHNIQUE MPPT PROPOSEE Fgure Résultats expérmentaux pour 5 modules P avec l algorthme proposé durant un profl d rradaton trapézoïdal Fgure Résultats expérmentaux d IncCond modfé sous une crossance brusque d rradaton 97