etude et optimisation d un système de pompage photovoltaïque
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République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
UNIVERSITE MENTOURI - CONSTANTINE FACULTE des SCIENCES de l’INGENIEUR
DEPARTEMENT ELECTROTECHNIQUE
MEMOIRE DE MASTER
DOMAINE : SCIENCES DE L’INGENIEUR
FILIERE : GENIE ELECTRIQUE
SPECIALITE : GESTION & TRANSFORMAION DE L’ENERGIE ELECTRIQUE
Thème
Etude et optimisation d’un Système de pompage
Photovoltaïque
Présenté par : Nom et prénom : Benlahreche Houssem Eddine
Jury de soutenance : Président : Chenni Rachid Dr, UMC Examinateur 1: Chennoufi Halim Dr, UMC Examinateur 2: Zarour Laid, Dr, UMC Encadreur : Nabti Khalil Dr, UMC
Promotion : Juin 2012
SOMMAIRE
30
INTRODUCTION GENERALE 2
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques I.1 INTRODUCTION
5 I.1.1 SPECTRE DU RAYONNEMENT
5 I.1.2 POSITION DE SOLEIL 6 I.1.3 LATITUDE DU LIEU Φ
7 I.1.4 INCLINAISON Α
8 I.1.5 FACTEURS INFLUENTS SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE
8 I.1.6 POTENTIEL SOLAIRE EN ALGERIE
9 I.2 LA BASE DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
10 I.2.1 INTRODUCTION A LA JONCTION PN
10 I.2.2 LES DIFFERENTS MATERIAUX 10 I.2.3 MATERIAUX UTILISE 11 I.2.4 COURANT D’ELECTRONS DANS LE SILICIUM 11 I.2.5 COURANT DE TROUS 12 I.2.6 DOPAGE 12
I.2.6.1 DOPAGE N 12 I.2.6.2 DOPAGE P 13
I.2.7 JONCTION PN 13 I.2.7.1 POLARISATION DIRECT 14 I.2.7.2 POLARISATION INVERSE
15
I.3 LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE 15
I.4 EFFET PHOTOVOLTAÏQUE 15
I.5 LE MODULE PHOTOVOLTAÏQUE 16
I.6 PROTECTION D’UN GPV 18
SOMMAIRE
31
I.7 AVANTAGES ET INCONVINENTS D’UNE INSTALATION
PHOTOVOLTAIQUE 18
I.7.1 LES AVANTAGES
19 I.7.2 LES INCONVENIENTS
19 I.8 CONCLUSION
19
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque II.1 INTRODUCTION
21 II.2 MODELE ELECTRIQUE ET MATHEMATIQUE D’UN
GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE (GPV) 21
II.3 CARACTERISTIQUE I(V) ET P(V) D’UN PANNEAU SOLAIRE 23
II.3.1 FACTEUR DE FORME 24 II.3.2 RENDEMENT ENERGETIQUE MAXIMUM
25 II.4 INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES
25 II.4.1 INFLUENCE DES PARAMETRES INTERNE 26
II.4.1.1 INFLUENCE DE FACTEUR DE QUALITE 26 II.4.1.1 INFLUENCE DE LA RESISTANCE SERIE 26
II.4.2 INFLUENCE EXTERNE 27 II.4.2.1 INFLUENCE DE L’ECLAIREMENT 27 II.4.2.2 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE 27
II.5 ASSOCIATION DES PANNEAUX EN SERIE, PARALLELE ET
MIXTE (SERIE ET PARALLELE) 28
II.6 CONCLUSION 28
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
SOMMAIRE
32
III.1 INTRODUCTION 30
III.2 MODELISATION DE CONVERTISSEUR DC AC 31
III.2.1 MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSION MLI (PWM) 31
III.3 MODELISATION DE LA MACHINES ASYNCHRONE 32
III.3.1 MODELE TRIPHASE 33
III.3.2 MODELE BIPHASE DE LA MACHINE 34
III.4 MODELE DE LA POMPE CENTRIFUGE 35
III.5 COMMANDE VECTORIEL A FLUX ROTORIQUE
ORIENTE(FOC) 36
III.5.1 PRINCIPE 37
III.5.2 EXPRESSION GENERAL DE LA COMMANDE 37
III.5.3 DECOUPLAGE PAR COMPENSATION 38
III.5.4 CALCULS DES REGULATEURS 39
III.5.4.1 REGULATEUR DE VITESSE 40
III.5.4.2 REGULATEUR DE COURANT 40
III.6 COUPLAGE DIRECTE DU GROUPE MOTOPOMPE-GPV 41
III.7 FONCTIONNEMENT DES PANNEAUX PV DANS LES
CONDITIONS OPTIMALES 43
III.7.1 DEFINITION DE L’MPPT D’UN SYSTEME SOLAIRE
PHOTOVOLTAÏQUE 43
III.7.2 LA TECHNIQUE PERTURBATION ET OBSERVATION « P&O » 43
III.8 SYNTHESE DE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME GLOBALE 45
III.9 RESULTATS DE SIMULATION EN REGIME DYNAMIQUE 47
III.10 CONCLUSION 51
CONCLUSION GENERALE 53
Introduction Générale
Introduction Générale
1
La production d'énergie est un défi de grande importance pour les années à venir. En effet,
les besoins énergétiques des sociétés industrialisées ne cessent d’augmenter. Par ailleurs, les
pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien leur
développement. De nos jours, une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée
à partir de sources fossiles. La consommation de ces sources donne lieu à des émissions de gaz à
effet de serre et donc une augmentation de la pollution. Le danger supplémentaire est qu’une
consommation excessive du stock de ressources naturelles réduit les réserves de ce type
d’énergie de façon dangereuse pour les générations futures.
Par énergie renouvelable, on entend des énergies issues du soleil, du vent, de la chaleur de
la terre, de l’eau ou encore de la biomasse. A la différence des énergies fossiles, les énergies
renouvelables sont des énergies à ressource illimitée. Les énergies renouvelables regroupent un
certain nombre de filières technologiques selon la source d’énergie valorisée et l’énergie utile
obtenue. La filière étudiée dans cette thèse est l’énergie solaire photovoltaïque.
Il existe de nombreux sites isolés dans le monde, alimentés par des systèmes autonomes de
génération d’électricité. Ces générateurs utilisent les sources renouvelables locales. On y trouve
des panneaux photovoltaïques, des éoliennes et des microturbines. L’électricité provenant des
sources renouvelables est intermittente, et dépendante des conditions climatiques.
Le générateur renouvelable sélectionné pour notre étude est un champ photovoltaïque (PV)
avec un système de Pompage, appelé systèmes de pompage Photovoltaïque.
A cet effet, nous nous intéressons sur les modèles de ces composants, c’est à dire la
modélisation du champ photovoltaïque, l’ensemble motopompe, le convertisseur statique et la
commande vectorielle.
A cet effet, nous avons fait dans notre étude :
Au premier chapitre, nous faisons une description générale, partant des définitions générales du
gisement solaire du principe de fonctionnement d’un système photovoltaïque et des associations
possibles des cellules pv.
Le second chapitre est très important, car il présente la modélisation du panneau solaire, on
insistant sur les différant paramètres qui influent sur son fonctionnement. Ainsi que les
différentes associations pour augmenter la puissance délivrée.
Introduction Générale
2
Le troisième chapitre consiste en une étude par simulation du système de pompage globale, nous
présenterons la modélisation de chaque élément du système, nous présenterons une modélisation
de la machine asynchrone triphasée alimente directement par le réseau électrique et par un
onduleur triphasé commander par la technique MLI, le principe de la commande vectorielle a
flux rotorique orienté et la pompe centrifuge choisi pour être la charge du moteur asynchrone, et
une comparaison a été montrée entre le couplage direct et indirect de groupe motopompe et le
générateur photovoltaïque.
Finalement, nous terminerons par une conclusion générale qui résume notre étude dans sa
partie théorique et simulation des résultats.
Chapitre I Généralités sur les systèmes photovoltaïques
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
5
I.1 INTRODUCTION
L'énergie solaire est produite par le rayonnement du soleil, direct ou diffus à travers
l'atmosphère.
Le soleil produit ainsi une énergie inépuisable et naturellement disponible en quantité.
L'énergie solaire reçue chaque année sur la terre équivaut à plus de 20 fois nos besoins
énergétiques.
L'énergie solaire est disponible partout, il suffit simplement de la capter pour bénéficier d'une
énergie gratuite et écologique.
I.1.1 SPECTRE DU RAYONNEMENT
La lumière visible représente 46 % de l'énergie totale émise par le soleil 49 % du
rayonnement énergétique émis par le soleil se situe au-delà du rouge visible, dans l'infrarouge.
C'est ce rayonnement que nous ressentons comme une onde de chaleur. Le reste du rayonnement
solaire, l'ultraviolet, représente l'ensemble des radiations de longueur d'onde inférieure à celle de
l'extrémité violette du spectre visible (Figure I.1).
Fig. I.1 rayonnement solaire
Au moins 35 % du rayonnement solaire intercepté par la Terre et son atmosphère sont
réfléchis vers l'espace. Une partie du rayonnement qui atteint la Terre a été diffusée dans toutes
les directions au cours de la traversée de l'atmosphère, en rencontrant des molécules d'air, des
aérosols et des particules de poussière (c'est ce rayonnement diffus, appartenant notamment à la
frange bleue du spectre visible (Figure I.2) qui est responsable de la couleur bleue du ciel clair).
D'autre part, la vapeur d'eau, le gaz carbonique et l'ozone de l'atmosphère absorbent 10 à 15 %
du rayonnement solaire. Le reste du rayonnement atteint directement la surface [2].
1-Puissance émise par le soleil : 63 500 kW/m².
2-Constante solaire : 1 370 W/m².
3-Rayonnement réfléchi.
4-Rayonnement absorbé et diffusé.
5-Rayonnement solaire à la surface de la Terre
(max : 1 000 W/m²).
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
6
Fig. I.2 Spectre rayonnement solaire [2]
Outre la composition de l'atmosphère, le facteur le plus important pour évaluer la
quantité du rayonnement solaire qui atteint la surface de la Terre est l'épaisseur d'atmosphère que
le rayonnement doit traverser.
I.1.2 POSITION DE SOLEIL
Fig. I.3 représentions les conditions AM0, AM1 et AM1,5 selon la position de la soleil et la
densité de l’atmosphère [3]
Au milieu du jour, le Soleil est au-dessus de nos têtes, et ses rayons ont à traverser une
épaisseur d'air moindre avant d'arriver sur Terre. Mais au début et à la fin de la journée, le Soleil
est bas sur l'horizon ; la traversée de l'atmosphère se fait alors plus longue. L'atmosphère absorbe
et diffuse d'autant plus de particules de lumière qu'elle est plus épaisse et plus dense. Ainsi, au
coucher du Soleil, les rayons sont suffisamment affaiblis pour permettre à l'œil humain de fixer
le Soleil sans trop d'éblouissement. Par contre, lorsque l'altitude augmente, la couche
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
7
d'atmosphère à traverser est plus réduite : dans les sites de montagnes, l'intensité du rayonnement
augmente sensiblement.
L’épaisseur d’atmosphère traversée influence donc le spectre lumineux reçu. Les
normes internationales définissent différents types de spectre : AM1 (pour air mass 1, lorsque le
rayonnement a traversé une épaisseur d’atmosphère), AM0 (spectre à la surface externe de
l’atmosphère), AM1.5 (spectre utilisé pour les tests standardisés des panneaux solaires
correspondant à la traversée d'une atmosphère et demie) [3].
Le rayonnement solaire reçu sur une surface varie donc au cours du temps en fonction
de la position du Soleil et de la couverture nuageuse. La puissance solaire maximale à la surface
de la Terre est d’environ 1 000 W/m² pour une surface perpendiculaire aux rayons. (Figure I.4)
Fig. I.4 puissance solaire pour différents ciels [3]
I.1. 3 LATITUDE DU LIEU Φ
La latitude φ est l’angle formé par le plan équatorial et la direction reliant le lieu
considère, au centre de la terre. Il est compris entre +90 (hémisphère Nord) et -90 (hémisphère
Sud).
La latitude a aussi un effet important : les journées estivales allongent à mesure qu’on
s’éloigne de l’équateur, et le soleil est plus bas au midi solaire.
Les journées d’hiver sont également plus courtes, et le soleil encore plus bas qu’à
l’équateur. Autrement dit, l’intensité maximale (à midi) et la quantité totale de rayonnement
solaire (G) sur un plan horizontal diminuent à mesure qu’augmente la latitude (Figure I.5).
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
8
Fig. I.5 Courbes d’ensoleillement typique par mois pour différentes latitudes [2]
I.1.4 INCLINAISON Α
Pour produire un maximum d'électricité, un module photovoltaïque doit être incliné de
façon perpendiculaire aux rayons du soleil. Ceci est très généralement impossible à obtenir car la
position du soleil varie en fonction de l'heure de la journée et aussi en fonction des saisons [4]
(Figure.I.6)
Fig. I.6 angle d'inclinaison des panneaux par rapport au plan horizontal [4]
L'erreur angulaire est une source de pertes de puissance, pour diminuer ces pertes il est
possible de concevoir des systèmes capables de suivre la trajectoire du soleil. Des modules
photovoltaïques sont installés en haut d’un mât rotatif et suivent la trajectoire du soleil afin
d’emmagasiner le maximum d’énergie. Ils sont généralement installés au sol.
I.1.5 FACTEURS INFLUENTS SUR LE RAYONNEMENT SOLAIRE
Les plus importants facteurs influents sur le rayonnement solaire sont :
• la localisation géographique du site (spécialement par rapport à sa latitude),
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
9
• la saison, l’heure et l’altitude du lieu,
• les conditions météorologiques (nébulosité, poussière, humidité…).
Il est possible de représenter l’allure des courbes correspondant aux variations de
l’ensoleillement selon différents paramètres comme illustré dans la (Figure I.7) [2]
Fig. I.7 Courbes d’ensoleillement typique par heure (latitude 45°) [2]
I.1.6 POTENTIEL SOLAIRE EN ALGERIE
De par sa situation géographique, l’Algérie dispose d’un des gisements solaires les plus
importants du monde. La durée d’insolation sur la quasi-totalité du territoire national dépasse les
2000 heures annuellement et atteint les 3500 heures (au Sahara). L’énergie reçue
quotidiennement sur une surface horizontale de 1 m2 est de l’ordre de 5 kWh sur la majeure
partie du territoire national, soit près de 1700 kWh/m2/an au Nord et 2650 KWh/m2/an au sud du
pays.
Régions Région côtière Hauts plateaux Sahara
Superficie (%) 4 10 86
Durée moyenne d'ensoleillement (heures/an) 2650 3000 3500
Energie moyenne reçue (kWh/m2/an) 1700 1900 2650
Tab. I.1 Potentiel solaire en Algérie. [5]
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
10
Fig. I.8 Irradiation globale journalière reçue sur plan horizontal au mois du juillet [5]
I.2 LA BASE DE LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
I.2.1 INTRODUCTION A LA JONCTION PN
Toute introduction aux semi-conducteurs doit commencer par l’étude des jonctions PN.
Celles-ci sont à la base des cellules photovoltaïque, sans lesquels il serait impossible d’imaginer
l’électronique aujourd’hui. Pour comprendre pleinement ce phénomène, il est nécessaire de
connaître les bases de la conduction électrique et la structure des atomes. Ces connaissances
n’ont pas besoin d’être très approfondies, mais s’avèrent très utiles pour la compréhension des
jonctions PN [5].
I.2.2 LES DIFFERENTS MATERIAUX
Comme vous le savez certainement, les matériaux conducteurs, comme le cuivre,
conduisent l’électricité en raison de leurs électrons libres. Les matériaux non conducteurs, tel que
la porcelaine ne permettent pas cette conduction, à cause de leur structure atomique. Les
matériaux semi-conducteurs ne sont ni de bons conducteurs, ni de bons isolants, mais se situent à
un niveau intermédiaire, entre conducteurs et non conducteurs. Durant de nombreuses années,
Longitude
Latit
ude
kWh/m2/jour
28
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
11
l’utilité de tels matériaux était inconnue. Lorsqu’ils ont été étudiés sérieusement, des propriétés
étonnantes leur ont été découvertes [5].
I.2.3 MATERIAUX UTILISE
Dans la production de composants semi-conducteurs, la principale matière utilisée est le
silicium, et, dans une moindre mesure, le germanium. Celui-ci est moins utilisé, car il présente
une instabilité relative lorsqu’il est soumis à la chaleur. Le silicium n’existe pas à l’état pur dans
la nature, mais uniquement sous forme de composé. Il a été isolé pour la première fois en 1823
par le chimiste suédois Jöns Jacob Berzelius. En 1854, le chimiste français Henry Sainte-Claire
Deville en obtient la forme cristalline. Ces cristaux sont gris à noirs. L’image ci-dessous illustre
la structure générale des atomes de silicium et de germanium.
Atome de silicium Atome de germanium
Fig. I.9 structure générale des atomes [5]
I.2.4 COURANT D’ELECTRONS DANS LE SILICIUM
Imaginez une pièce de silicium. Certains électrons de la dernière couche (électrons de
valence) ont suffisamment d’énergie pour se déplacer de la bande de valence à la bande de
conduction. L’image ci-dessous illustre le Passage de la bande de valence à la bande de
conduction. La flèche représente à la fois la direction de l’électron et l’énergie nécessaire.
Fig. I.10 Passage de la bande de valence à la bande de conduction
Ces électrons se déplacent donc librement dans la structure, car ils sont en quelque sorte «
détachés » de leur atome respectif. A cet effet, ces types d’électrons sont nommés « électrons
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
12
libres ». Lorsqu’on applique une tension à la pièce de silicium, les électrons libres se déplacent
vers la borne positive de la source de tension. Les électrons sont une charge négative, c’est la
raison pour laquelle ils sont attirés par la borne positive. Le déplacement d’électrons exprimé ici
se nomme « courant d’électrons ». Il s’agit de silicium et non d’un matériau purement
conducteur. De ce fait, la conductance du silicium est très inférieure à celle du cuivre ou de
l’argent [5].
I.2.5 COURANT DE TROUS
Lorsqu’un électron quitte l’atome, il laisse une place vide, appelée trou, dans laquelle
peut prendre place un autre électron. A présent, imaginons deux atome voisins l’un de l’autre. Le
premier à sa couche de valence complète, le second comporte un trou (Figure I.10).
Fig. I.11 Courant de trous [5]
Un électron de valence du premier atome peut alors se déplacer vers le second atome et
ainsi combler le trou. A ce moment là, le trou s’est déplacé. Il a passé du premier atome au
second. Le trou s’est donc déplacé. Ce phénomène est appelé « courant de trou ». Il n’est pas ici
réellement question du déplacement des électrons, mais de celui des espaces vacants, donc des
trous [5].
I.2.6 DOPAGE
La conductibilité du matériau peut être augmentée, diminuée et contrôlée en ajoutant au
silicium une quantité très faible de matière appelée « impureté ». Plusieurs éléments peuvent
remplir la fonction d’impureté. Ils varient selon les deux types de dopage existants [5].
I.2.6.1 DOPAGE N
Dans le type N, le but est de « créer » des électrons libres pour améliorer la
conductivité. Pour cela, il faut ajouter des atomes dits pentavalents, c'est-à-dire ayant 5 électrons
sur leur dernière couche. Le tableau ci-dessous montre les types d’atomes utilisés.
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
13
Nom Symbole Electrons de valence Arsenic As 5 Phosphore P 5 Bismuth Bi 5 Antimoine Sb 5
Tab. I.2 Matières servant d’impureté dans le dopage N [5].
Comme nous pouvons le remarquer, chaque atome décrit ci-dessus possède cinq atomes
sur sa dernière couche. Lorsque l’un de ces atomes est incorporé au silicium, il utilise quatre
électrons pour former des liens covalents. Il reste alors un électron, qui devient électron de
conduction. L’atome qui a perdu cet électron est appelé atome donneur. Plus le nombre
d’impureté est élevé, plus les électrons de conduction seront nombreux. En d’autres termes, plus
la quantité d’impureté incorporée au silicium est grande, plus celui-ci sera conducteur. Le
dopage de type N vise donc à créer un nombre excessif d’électrons de conduction.
I.2.6.2 DOPAGE P
Dans le dopage de type P, les atomes utilisés sont dits trivalents, c'est-à-dire qu’ils ont
trois électrons sur leur dernière couche. Dans le dopage P, le but est de créer un grand nombre de
trous, comme nous allons le voir ici. Les matières utilisées dans le dopage P sont décrites dans le
tableau ci-dessous.
Nom Symbole Electrons de valence Aluminium Al 3 Gallium Ga 3 Bore B 3
Tab. I.3 Matières servant d’impureté dans le dopage P
Lorsque les atomes de ces matières sont incorporés au silicium, les trois électrons sont
utilisés pour former des liaisons covalentes. Comme nous l’avons vu précédemment, quatre
électrons sont nécessaires. Il subsiste donc un espace vide, donc un trou. Le nombre de trou dans
la structure est contrôlé par la quantité d’impureté ajoutée au silicium.
I.2.7 JONCTION PN
Le cœur d'une cellule photovoltaïque est constitué d'une jonction P-N :
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
14
Fig. I.12 Création de jonction PN [6]
Une jonction P-N résulte de la mise en contact de deux matériaux semi-conducteurs,
l'un dopé N l'autre dopé P à l'interface entre le matériau dopé N et le matériau dopé P, il y a
migration d'une partie des électrons excédentaires de la zone N vers la zone P. La recombinaison
locale des charges entraîne la formation d'une différence de potentiel au niveau de l'interface qui
bloque la suite du phénomène de migration des électrons ce mise en contact d’un silicium dopé p
et d’un silicium de type N se traduit par la création d’une jonction, dite P-N. ce phénomène est
désigné sous le nom de « barrière de potentiel ». Pour passer cette barrière, les électrons ont
besoin d’un apport extérieur d’énergie. On fournit cette énergie par une source de tension. La
tension nécessaire pour passer la barrière de potentiel est de 0,7V pour le silicium et 0,3V pour le
germanium [6].
I.2.7.1 POLARISATION DIRECT
En polarisation directe, la borne négative doit être connectée à la région N. La borne
positive est connectée à la région P, comme illustré la Figure I.12.
Fig. I.13 Connexion de la jonction en polarisation directe [5]
Si la tension est plus grande que 0,7 V (pour le silicium), les électrons passent la
jonction. Une fois dans la partie P, ils se recombinent avec les trous et deviennent des électrons
de valence. Comme ils sont attirés par la borne positive, ils se déplacent de trou en trou jusqu’à
celle-ci. Les trous sont donc toujours disponibles pour les électrons suivants et sont donc
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
15
toujours disponibles. Cette configuration est appelée « polarisation directe », car elle permet le
passage du courant provenant de l’alimentation [5].
I.2.7.2 POLARISATION INVERSE
En polarisation inverse, la borne positive est connectée à la région N. La borne négative
se trouve connectée à la région P. Les électrons libres sont alors attirés vers la borne positive.
Les trous sont attirés vers la borne négative, comme le montre l’illustration ci-dessous.
Fig. I.14 Connexion de la jonction en polarisation inverse [5]
Dans cette situation, le passage d’un courant est impossible. Toutefois, il subsiste un
courant inverse extrêmement faible. Celui-ci est provient des paires électron-trou générées par la
chaleur.
I.3 LA CELLULE PHOTOVOLTAÏQUE
La cellule photovoltaïque est l'élément de base de la conversion photovoltaïque. Dans
l'obscurité, elle se comporte comme une jonction PN (diode). D’un matériau semi-conducteurs
et transforme directement l’énergie lumineuse en énergie électrique [7].
I.4 EFFET PHOTOVOLTAÏQUE
La cellule solaire à semi-conducteur est un dispositif permettant de débiter un courant
électrique dans une charge externe lorsque celui-ci est exposé à la lumière. Son fonctionnement
se résume comme suit: Lorsque la cellule est exposée au rayonnement solaire, les photons
d'énergie pénétrant dans la cellule solaire transmettent leur énergie aux atomes de la jonction. Si
cette énergie est suffisamment élevée, elle peut faire passer les électrons de la bande de valence à
la bande de conduction du matériau semi-conducteur ce gain d’énergie libère des électrons de
ces atomes, et créer ainsi des paires «électron- trou». Les électrons (charges N) et les trous
(charges P), sont alors maintenus séparés par un champ électrique qui constitue une barrière de
potentiel [8]. Si une charge est placée aux bornes de la cellule, les électrons de la zone N
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
16
rejoignent les trous de la zone P via la connexion extérieure, donnant naissance à une différence
de potentiel et un courant électrique circule (Figure I.14).
Fig. I.15 Principe de fonctionnement d’une cellule photovoltaïque [8]
I.5 LE MODULE PHOTOVOLTAÏQUE
La cellule solaire, unité de base d’un panneau solaire photovoltaïque, produit
typiquement au maximum une puissance de 1,3 W pour une surface de 100 cm2. Pour produire
plus de puissance. Donc un générateur électrique de faible puissance insuffisante en tant que telle
pour la plupart des applications domestiques ou industrielles. Les générateurs photovoltaïques
sont, de ce fait réalisés par association, en série et/ou en parallèle, d'un grand nombre de cellules
ou des modules élémentaires. Une association de (NS cellules) en série permet d’augmenter la
tension du générateur photovoltaïque (GPV). Les cellules ou modules sont alors traversées par le
même courant et la caractéristique résultant du groupement série est obtenue par addition des
tensions élémentaires de chaque cellule (Figure I.15). L’équation (I.1) résume les
caractéristiques électriques d’une association série de ns cellules [10].
Vco(Ns ) =Ns*Vco ; Icc = IccNs (I.1)
Vco(Ns ) : La somme des tension en circuit ouvert de Ns cellules en série
Icc : Courant de court-circuit de Ns cellule en série
Ce système d’association est généralement le plus communément utilisé pour les
modules photovoltaïques du commerce.
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
17
Comme la surface des cellules devient de plus en plus importante, le courant produit par
une seule cellule augmente régulièrement au fur et à mesure de l’évolution technologique alors
que sa tension reste toujours très faible. L’association série permet ainsi d’augmenter la tension
de l’ensemble et donc d’accroître la puissance de l’ensemble. Les panneaux commerciaux
constitués de cellules de première génération sont habituellement réalisés en associant 36
cellules en série.
Vco(ns) = Ns*Vco = 0.6 V*36 = 21.6V
Fig. I.16 Caractéristiques résultantes d’un groupement de Ns cellules en série [10]
D’autre part, une association parallèle de Np cellules est possible et permet d’accroître
le courant de sortie du générateur ainsi créé (Figure I.16). L’équation (I.2) résume à son tour les
caractéristiques électriques d’une association parallèle de Np cellules. Dans un groupement de
cellules identiques connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la
caractéristique résultant du groupement est obtenue par addition des courants
Fig. I.17 Caractéristiques résultant d’un groupement de Np cellules en parallèle [10]
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
18
Icc( Np )=Np*Icc ; Vco = VcoNp (I.2)
Icc (Np) : La somme des courants de court-circuit de Np cellules en parallèle
Vco (Np) : Tension du circuit ouvert de Np cellules en parallèle.
L’association mixte (série et parallèle) des panneaux solaire permet d’augmenter la
tension et le courant du générateur photovoltaïque (GPV) [10].
I.6 PROTECTION D’UN GPV
Lorsque nous concevons une installation photovoltaïque, nous devons assurer la
protection électrique de cette installation afin d’augmenter sa durée de vie en évitant notamment
des pannes destructrices liées à l’association des cellules et de leur fonctionnement en cas
d’ombrage. Pour cela, deux types de protections sont classiquement utilisées dans les
installations actuelles:
- la protection en cas de connexion en parallèle de modules PV pour éviter les courants négatifs
dans les GPV (diode anti-retour)
- la protection lors de la mise en série de modules PV permettant de ne pas perdre la totalité de la
chaîne (diode by-pass) et éviter les points chauds.
Fig. I.18 Schématisation d’un GPV élémentaire avec diodes by-pass et diode anti-retour
I.7 AVANTAGES ET INCONVINENTS D’UNE INSTALATION
PHOTOVOLTAIQUE
En tant que source d’énergie électrique, un système photovoltaïque offre des avantages
mais aussi des inconvénients.
Chapitre II Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
Chapitre I : Généralités sur les systèmes photovoltaïques
19
I.7.1 LES AVANTAGES
• Les installations photovoltaïques sont en général de haute fiabilité, peu sujettes à l’usure,
elles demandent peu d’entretien.
• Le montage des installations photovoltaïques est simple et les installations sont
adaptables aux besoins de chaque projet.
• Il s’agit d’une source d’énergie électrique totalement silencieuse ce qui n’est pas le cas,
par exemple des installations éoliennes.
• Il s'agit d'une source d'énergie inépuisable.
• L'énergie photovoltaïque est une énergie propre et non-polluante qui ne dégage pas de
gaz à effet de serre et ne génère pas de déchets.
I.7.2 LES INCONVENIENTS
• La fabrication des panneaux solaires photovoltaïques relèvent de la haute technologie
demandant énormément de recherche et développement et donc des investissements
coûteux. Cela se traduit dans le prix de l’installation qui, aujourd’hui, reste chère.
• Les rendements des panneaux photovoltaïques sont encore faibles et de l’ordre de 20 %.
L’énergie photovoltaïque convient donc mieux pour des projets à faible besoins, comme
une maison unifamiliale, par exemple.
• Dans le cas d’une installation photovoltaïque autonome qui ne revend pas son surplus
d’électricité au réseau, il faut inclure des batteries dont le coût reste très élevé.
• Le niveau de production d’électricité n’est pas stable et pas prévisible mais dépend du
niveau d’ensoleillement. De plus, il n'y a aucune production d'électricité le soir et la nuit.
• La durée de vie d'une installation photovoltaïque n'est pas éternelle mais de l'ordre de 20
à 30 ans. De plus, le rendement des cellules photovoltaïques diminue avec le temps qui
passe. On parle en général pour les panneaux photovoltaïques, d'une perte de rendement
de 1 % par an.
I.8 CONCLUSION
Dans ce chapitre nous avons présenté la modélisation des modules et les différentes
zones de fonctionnement et les facteurs qui influencent sur le point de puissance maximale,
Ainsi la synthèse d’assemblage des panneaux soit en série, parallèle ou mixte hybride.
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
21
II.1 INTRODUCTION
Le générateur photovoltaïque(GPV) est le seul convertisseur direct pour transformer la
lumière en énergie électrique [1], et offre la possibilité de produire de l'électricité directement à
partir d’une ressource renouvelable et largement disponible.
Dans ce chapitre, onprésente tout d'abord le modèle électrique du panneau photovoltaïque
qui peut prévoir le comportement électrique du module TE600 sous les conditions de
fonctionnement réelles (éclairement et température, etc.) on présente d’abord leurs différents
paramètres et les résultats obtenus par simulation avec MATLAB.
II.2 MODELEELECTRIQUEETMATHEMATIQUED’UN GENERATEUR
PHOTOVOLTAÏQUE (GPV)
Pour trouver le modèle du générateur photovoltaïque, il faut tout d’abord retrouver le
circuit électrique équivalent à cette source. La résistance shunt étant généralement de grande valeur
et ne représente que le courant de fuit, donc pour simplifie le modèle de la cellule photovoltaïque on
peut la supposée comme négliger sur le schéma équivalent, donc le modèle de la cellule devient
alors comme présentée sur la Figure I.2.
Fig. II.1Modèle équivalent de la cellule photovoltaïque
D’après la loi des nœuds de Kirchhoff : = − (II. 1)
AvecI : Courant fournie par la cellule.
Iph: Photo courant, proportionnel à l’éclairement G :
ID
D Iph
Rs I
V
G
T
VD
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
22
= ( ) × [1 + × ( − )] (II. 2) ( ) = ( ) × (II. 3) T1:Température de référence ( = 25° = 298° ). G0 : Éclairement de référence ( = 1000 / ).
K0: Coefficient de variation du courant en fonction de la température (donné par le
constructeur) :
= ( ) − ( ) − ( . 4)
: Courant de court-circuit (le courant qui circule à travers la jonction sous illumination
lorsque la cellule est court-circuitée). : Courant traversant la diode, il est donné par :
= ( − 1) ( . 5)
Où : Tension thermodynamique défini par :
= ( . 6)
n est le facteur de qualité de la jonction.
K la constante de Boltzmann (1.381.10-23J/K) : Tension aux bornes de la diode : = + ( . 7)
V: Tension aux bornes de la cellule
Rsest la résistance série. = − − 1 ( . 8)
= ( ) ( ) . ( ) ( ) ( . 9)
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
23
Vco : La tension de circuit ouvert (la tension mesurée lorsqu’aucun courant ne circule dans
le dispositif photovoltaïque).
Is: Courant de saturation défini par :
= ( ) ∗ . . ( . 10)
( ) = ( ) ( ) ( ) − 1 ( . 11)
Et la relation liant le courant et la tension d'une photopile est alors devient :
= − ( ) − 1 ( . 12)
II.3 CARACTERISTIQUE I(V) ET P(V) D’UN PANNEAU SOLAIRE
Fig. II.2Caractéristique et schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
La caractéristique se divise en trois parties :
Ø La zone (a) où la cellule se comporte comme un générateur de courant Icc proportionnel à
l’éclairement,
Ø La zone (b) où la cellule se comporte comme un générateur de tension Vco,
Ø La zone (c) où la résistance interne du générateur varie rapidement est représenté la région
préférée pour le fonctionnement du générateur[8],
A- Courant de court-circuit, Icc
Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0
dansle schéma équivalent). Il croît linéairement avec l’intensité d’illumination de la cellule et
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
24
dépend de la surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et
de la température.
B- Tension à circuit ouvert Vco.
La tension à circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle
dépend de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et varie peu
avec l’intensité lumineuse.
II.3.1 FACTEUR DE FORME
La puissance fournie au circuit extérieur par une cellule photovoltaïque sous éclairement.
Cette puissance est maximale pour un point de fonctionnementPm (Im,Vm). On peut définir le
facteur de forme FF par la relation suivante
= ∗ ∗ ( . 13)
= ∗ ( . 14)
On voit bien qu'il dérive de la représentation graphique et est égal au rapport de la surface
du rectangle Pmsur celle du rectangle dont les côtés mesurent.
Fig. II.3Notion de facteur de forme FF.
Le rapport entre cette puissance « idéale » et la puissance maximum est le facteur de forme
du panneau solaire, noté ici FF par le fabricant. Cette valeur est une indication de la qualité des
cellules solaires mises en œuvre dans la construction du panneau solaire.
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
25
II.3.2 RENDEMENT ENERGETIQUE MAXIMUM
On définit le rendement énergétique d'une cellule par le rapport entre la puissance
maximum et la puissance Pm maximale dissipée dans la charge et la puissance du rayonnement
solaire incidente[21].
= ∗ ( . 15)
Avec :
G:éclairement (W/m²).
S:surface active des panneaux (m²).
Pmest la puissance maximum mesurée dans les conditions STC (Standard Test Conditions),
c'est-à-dire sous un spectre AM1.5, une température de 25°C, et un éclairement de 1000 W/m².
Ce rendement peut être optimisé en augmentant le facteur de forme, le courant de court-
circuit et la tension à circuit ouvert. C'est un paramètre essentiel, car la seule connaissance de sa
valeur permet d'évaluer les performances de la cellule.
II.4 INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES
Nous avons choisi le modèle photovoltaïque TOTAL ENERGIE type: TE600Nous avons
déterminé les paramètres du panneau pour lesquels nous avons reporté dans le tableau (II.1)et des
conditions standards de qualification du module:
• Un spectre AM 1,5.
• Un éclairement de 1000W/m²
• Une température ambiante de25°
Puissance Nominale 60W
Tension à puissance maximale 17.6 V
Courant à puissance maximale 3.4 A
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
26
Tension en circuit ouvert 22 V
Courant de court-circuit 3.65 A
Tab.II.1Paramètres du panneauTE600dans S.T.C
A partir de ces données et suivant les étapes du modèle mathématique précédent, nous
avons créé un programme MATLAB pour simuler le modèle du panneau. Dans ce programme, les
résultats obtenus sont représentés dans les figures suivant
II.4.1 INFLUENCE DES PARAMETRES INTERNE
II.4.1.1 INFLUENCE DE FACTEUR DE QUALITE
Fig. II.4 Caractéristiques I(V)et P(V) en fonction de facteur de qualité A
La Figure II.4montre que l’augmentation du facteur de qualité de la diode influe
inversement sur le point de puissance maximale et cela se traduit par une diminution de puissance au
niveau de la zone de fonctionnement.
II.4.1.1 INFLUENCE DE LA RESISTANCE SERIE
0 5 10 15 20 250
1
2
3
4
Tension [V]
Cou
rant
[A]
A=1 A=1.5 A=2
éclairement G = 1000W/m2
température T = 25°C
0 5 10 15 20 250
10
20
30
40
50
60
70
Tension [V]
Pui
ssan
ce [W
]
A=1 A=1.5 A=2
éclairement G = 1000W/m2
température T = 25°C
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
27
Fig. II.5 Caractér is tiq ue (V ) (V ) n o nctio n e a ési stan ce s rie Rs
Les performances d’une cellule photovoltaïq ue ont ’a uta nt lu s égr ad ées qu Rs est grande ou que cette influence se traduit par une diminution de la pente de la courbe I=f(v) dans la zone où e anneau o nctio nne om me ource e e nsio n.
II.4.2 INFLUENCE EXTERNE
II.4.2.1INFLUENCE DE L’ECLAIREMENT
Fig.II.6Caractér is tiq ues (V ) t (V ) n o nctio n e ’é cl aire m ent
Comme le montre la Figure II.6, le courant de court-circuit (Icc) croît proportionnellement avec l’éc la ir em ent, lo rs ue a e nsio n v de ( co) v rie t è s p e (environ 1 V). Ainsi, au plus la couverture nuageuse est importante, au plus l’intensité u courant gé n éré es fa b le .
0 5 10 15 20 250
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Tension [V]
Cou
rant
[A]
Rs=0.00 ohmRs=0.05 ohmRs=0.10 ohm
éclairement G = 1000W/m2
température T = 25°C
0 5 10 15 20 250
10
20
30
40
50
60
70
Tension [V]
Pui
ssan
ce [W
]
Rs=0.00 ohmRs=0.05 ohmRs=0.10 ohm
éclairemnt G=1000W/m2
température T=25°C
0 5 10 15 20 250
1
2
3
4
Tension [V]
Cou
rant
[A]
1000W/m2
750W/m2
500W/m2
250W/m2
T = 25°C
0 5 10 15 20 250
10
20
30
40
50
60
70
Tension [V]
Pui
ssac
e [W
]
250W/m2
500W/m2
750W/m2
1000W/m2
T = 25°C
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
28
II.4.2.2 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
Fig. II.7Caractér is tiq ues (V ) t (V ) n o nctio n e a e m péra ture Pour une tempér atu re ui hangeon eut oir ur a F ig ure I.7 )q ue a aria tio n e
tension change considér able m entp ar apport u ourant. uand a e m péra ture a gm ente, l tension diminue et inversement.Le courant est lég ère m ent i flu é . II.5 ASSOCIATION DES PANNEAUX EN SERIE, PARALLELE ET MIXTE (SERIE ET
PARALLELE)
Fig. II.8 Caractér is tiq ue (V ) (V ) our e ro upem ent éri e/ parallè le d e pa neaux
La puissance d’une cellule photovoltaïq ue im ple st ela tiv em ent etite (approximativement 0.5 Watts/cellule). Pour produire la tension et la puissance exigé e s, e s cellules sont reliée s n éri e e e p rallè le, E l es so t gr up ées d an des m od les ( le m o d le ét a nt e lu s etit nsem ble onçu our ro duir e a uis sance).
0 5 10 15 20 250
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
Tension [V]
Cou
rant
[A]
T = -15°CT = 00°CT = 15°CT = 30°CT = 45°CT = 60°C
éclairement G=1000W/m2
0 5 10 15 20 250
10
20
30
40
50
60
70
Tension [V]
Pw
issa
nce
[W]
T= -15°CT= 0°CT= 15°CT= 30°CT= 45°CT= 60°C
éclairement G=1000W/m2
0 10 20 30 40 50 60 700
2
4
6
8
10
12
Tension [V]
Cou
rant
[A]
Ns=2, Np=2Ns=1, NP=3Ns=1, Np=2Ns=1, Np=1Ns=2, Np=1
G = 1000W/m2
T = 25°C
0 10 20 30 40 50 60 700
100
200
300
400
500
Tension [V]
Pui
ssan
ce [W
]
Ns=1, Np=2Ns=1, Np=1Ns=2, Np=2Ns=2, Np=1Ns=3, Np=3
G=1000 W/m2
T= 25°C
Chapitre II : Modélisation et simulation d’un système photovoltaïque
29
Des modules sont combinés dans des panneaux qui sont reliés ensemble pour former d'une
manière générale, un champ photovoltaïque. Cette méthode nous permet d’atteindre la puissance
désirée.
II.6 CONCLUSION
Dans ce chapitre, une approche générale sur la modélisation des modules photovoltaïques est
présentée. Les points choisis pour la détermination des paramètres sont le point courant de circuit court
(0, ISC), point de tension de circuit ouvert (VOC, 0), et le point de puissance maximale (VMP, IMP).
Enfin une synthèse d'assemblage des panneaux et une spécification des différentes zones de
fonctionnement, ainsi que l’influence des différents paramètres sur le comportement du module.
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
30
III.1 INTRODUCTION
La demande croissante d'eau dans les zones rurales et sites isolés a fait qu'un intérêt
grandissant est porté sur l'utilisation des générateurs photovoltaïques comme source d'énergie aux
groupes moteur-pompes. En effet la réalisation de systèmes de pompage autonomes, fiables et à bon
rendement constitue une solution pratique et économique au problème du manque d'eau dans les
régions désertiques. Ce chapitre décrit le système de pompage photovoltaïque en général, La chaine
de pompage est constituée d’un générateur photovoltaïque, un convertisseur DC/AC avec une
commande MPPT, un groupe électropompe (constitué d’un moteur électrique à induction et une
pompe centrifuge).
III.2 MODELISATION DE CONVERTISSEUR DC AC
L’onduleur de tension est l’organe principal qui a pour tâche l’obtention, d’un système de
tensions triphasées de fréquence et amplitudes variables, à partir d’une tension continue. L’onduleur
de tension est constitué de trois bras dont chacun possède deux cellules de commutation montées en
série et qui ne fonctionnent pas simultanément. Dans ce cas, chaque cellule est assimilée à un
interrupteur bidirectionnel [15], voir figure. III.1
Fig.III.1 Onduleur de tension deux niveaux
Les tensions composées à la sortie de l’onduleur sont :
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
31
L’état des interrupteurs, supposés parfaits peuvent être définit par trois grandeurs
booléennes de commande Si (i=a, b, c):
• Si = 1 le cas ou l’interrupteur de haut est fermé et celui d’en bas ouvert.
• Si = 0 le cas ou l’interrupteur de haut est ouvert et celui d’en bas fermé.
La résolution des équations (III.1) et (III.2) nous donne les tensions de sorties en fonction
de la tension continue E et des états de commutation des interrupteurs Si générées par le système de
contrôle de l’onduleur : [15]
III.2.1 MODULATION DE LARGEUR D’IMPULSION MLI (PWM)
L’objectif de la commande MLI est de générer les ordres d’ouverture et fermeture des
interrupteurs de puissance le principe de MLI est de comparer un signal triangulaire appelé porteuse
qui détermine la période de découpage, à une modulante. Le résultat de cette comparaison est le
signal MLI qui utilisé comme fonction de commutation pour commander les interrupteur de
l’onduleur. Cette méthode permet d’obtenir de façon simple les temps de conduction de chaque
transistor. Les instants de commutation sont déterminés par les points d’intersection entre la
porteuse et la modulante. La fréquence de commutation des interrupteurs est fixée par la porteuse.
Cette technique est caractérisée par les deux paramètres suivants:
• L’indice de modulation égal au rapport de la fréquence de la porteuse à la fréquence de
référence
• Le coefficient de réglage en tension égal au rapport de l’amplitude de l’onde de référence
Vm à la valeur de crête de la porteuse . La figure III.2 représente le principe de la
commande MLI, alors que la figure III.3 représente la tension de sortie de l’onduleur.
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
32
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-15
-10
-5
0
5
10
15
t(s)
Tens
ions
de
réfé
renc
e V
1,V
2,V
3, e
t V tr
iang
le
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.020
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
t(s)
Sa
Fig. III.2 Principe de la commande par MLI sinus-triangle
0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02-500
-400
-300
-200
-100
0
100
200
300
400
500
t(s)
Tens
ion
sim
ple
de l'
ondu
leur
Vsa
(V)
Fig. III.3 les tensions Va, de l’onduleur
III.3 MODELISATION DE LA MACHINES ASYNCHRONE
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
33
La machine asynchrone est composée de deux parties séparées par un entrefer. Le stator ou
l'inducteur: c'est la partie fixe de la machine asynchrone comportant un enroulement triphasé couplé
en étoile ou en triangle. Le rotor ou l'induit: c'est la partie tournante de la machine composé de
barres généralement en cuivre ou en aluminium coulé. Ces barres sont reliées entre elles à chaque
extrémité par un anneau de court-circuit [15].
III.3.1 MODELE TRIPHASE
Dans le cadre des hypothèses simplificatrices (annexe B) les équations de la machine
s’écrivent comme suit :
• Equations électriques
Les équations de tension dans le repère abc sont :
- et sont respectivement les résistances statorique et rotorique par phase
- sont respectivement les tensions statoriques et rotoriques
- sont respectivement les courants statoriques et trotoriques
- et sont les flux statoriques et rotoriques
• Equations magnétiques
Les équations magnétiques de la machine asynchrone peuvent s’écrire sous forme
matricielle :
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
34
Où :
Et :
Avec : Matrice des inductances cycliques et des mutuelles entre phases
statoriques,
: Matrice des inductances cycliques et des mutuelles entre phases rotorique,
: Matrice des inductances mutuelles entre les phases statoriques et rotoriques.
• Equation mécanique
Le couple électromagnétique est donné par l’équation suivante
III.3.2 MODELE BIPHASE DE LA MACHINE [16]
On utilisant la transformation de park (ANNEXE B), La machine asynchrone peut être
modélisée dans un repère biphasé (d, q) lié au champ tournant par le système d’équations (III.11) :
Avec les équations de flux stator et rotor :
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
35
A partir des équations de tension et flux dans un repère lié au champ tournant
( : le modèle du moteur asynchrone mis sous forme variable d’état
est donné par :
Avec :
Tel que :
, est la pulsation mécanique
est la pulsation statorique et est la pulsation de glissement.
De plus, L’expression du couple électromagnétique peut être exprimée en fonction des
courants statoriques et les flux rotoriques comme suit:
Et l’équation mécanique devient
III.4 MODELE DE LA POMPE CENTRIFUGE
La principale caractéristique de la pompe centrifuge consiste à convertir l'énergie d'une
source de mouvement (le moteur) d'abord en vitesse (ou énergie cinétique) puis en énergie de
pression. Le rôle d'une pompe consiste en effet à transférer de l'énergie au liquide pompé (énergie
transformée ensuite en débit et en hauteur d'élévation) selon les caractéristiques de fabrication de la
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
36
pompe elle-même et en fonction des besoins spécifiques à l'installation [14]. La puissance
hydraulique fournie par la pompe est donnée par la relation
Dans laquelle :
• est exprimée en Watts
• ρ est la densité du liquide (kg/m3)
• g est l’accélération de pesanteur soit 9,81 m/s2
• Q est le débit volumique du liquide exprimé en m3/s
• h est la hauteur manométrique de la pompe exprimée en mètres
La hauteur manométrique est la hauteur d’une colonne de liquide qui déterminerait une
pression statique égale à la pression de refoulement. La pompe centrifuge applique un couple de
charge proportionnel au carré de la vitesse de rotation du moteur [15] :
Avec : coefficients de proportionnalité [(Nm/rad.s-1)2]
: Le couple statique, très petite (généralement négligeable).
L’énergie mécanique à fournir de la machine est bien évidemment toujours supérieure à
l’énergie hydraulique fournie au liquide et on appelle rendement de la pompe le coefficient de
proportionnalité qui lie ces deux paramètres. On a donc la relation :
=
L’équation de puissance mécanique de la pompe est aussi déterminée en fonction de la
vitesse est donnée par la relation suivante [15] :
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
37
III.5 COMMANDE VECTORIEL A FLUX ROTORIQUE ORIENTE(FOC)
La commande vectorielle a été établie au début des années 70 par F. Blaschke, l’objectif de
la commande vectorielle de la MAS est d’aboutir à un modèle équivalent à celui d’une machine à
courant continu, c'est-à-dire un modèle linéaire et découplé, ce qui permet d’améliorer son
comportement dynamique, [11], [12]. La figure.III.7 montre la structure de la commande vectorielle.
III.5.1 PRINCIPE
L'orientation du flux magnétique selon l’axe direct conduit à l'annulation de sa composante
en quadrature, on a alors:
La figure III.5 explique le principe d’orientation du flux selon l’axe direct
Fig.III.4 Principe de l’orientation du flux rotorique
Et l’expression du couple devient alors:
III.5.2 EXPRESSION GENERAL DE LA COMMANDE
Finalement l'écriture en équation d'état déduite de (en reconnaissant )
conduit au système suivant:
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
38
Avec
III.5.3 DECOUPLAGE PAR COMPENSATION
Les expressions (III.22) peuvent être exploitées telles quelles pour réaliser la commande
vectorielle a flux rotorique orienté des machine asynchrone alimentées en tension, alors que les
tensions et influent à la fois sur et donc sur le flux et le couple. Il est nécessaire de
réaliser un découplage [19], [20].
Fig. III.5 Reconstitution des tensions et
Définissons deux nouvelles variables de commande et telles que :
Onduler + MAS
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
39
Donc, le schéma fonctionnel correspondant de la commande est le suivant :
Fig.III.6 Schéma fonctionnel de la commande vectorielle indirect
Pour le bloc de défluxage, le flux rotorique de référence est généralement maintenu
constant, à sa valeur nominale comme montre la figure III.6 pour des vitesses
inférieures ou égales à la vitesse nominale du moteur . Par contre, il faut qu’il décroisse lorsque
la vitesse augmente au-delà de la vitesse nominale afin de limiter la tension aux bornes du moteur.
Pour cela, on définit le bloc de défluxage par la non linéarité suivante [15]:
Avec :
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
40
: Flux rotorique de référence.
: Flux rotorique nominal.
: Vitesse mécanique nominale.
III.5.4 CALCULS DES REGULATEURS
Les régulateurs à action proportionnelle-intégrale PI sont très répandus dans le domaine de
la commande des machines électriques, l'action du régulateur proportionnelle Passure la rapidité de
la réponse dynamique, et l'action du régulateur intégral élimine l'erreur statique en régime
permanent. Dans notre commande il y a trois régulateurs PI, un pour la régulation de la vitesse et
deux pour les courants et .
III.5.4.1 REGULATEUR DE VITESSE
Nous avons (d’après l’équation III.9) :
Les paramètres du régulateur PI sont définis à partir du schéma illustré dans la figure III.7.
La fonction de transfert du régulateur PI de vitesse est donnée par :
Fig. III.7 Schéma en boucle fermée d'un régulateur de vitesse
La fonction de transfert en boucle ouvert du système ( ) est :
En déduire la fonction de transfert en boucle fermée :
L'équation caractéristique du système en boucle fermée est:
PI Ω Cr -
- Cem
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
41
En identifient cette équation à la forme canonique , nous avons à
résoudre le système d'équations suivant:
III.5.4.2 REGULATEUR DE COURANT
Nous avons d’après l’équation III.24 (la même chose pour ) :
Fig.III.9 Schéma en boucle fermée d'un régulateur du courant
D’après le schéma en déduire la fonction de transfert en boucle ouvert :
L’élimination des zéro de système impose que :
Alors :
Donc, la fonction de transfert en boucle fermée :
PI -
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
42
Avec , donc :
III.6 COUPLAGE DIRECTE DU GROUPE MOTOPOMPE-GPV
La figure III.9 illustre le systèm e e om page c uplag e d re cte. L s a antag es d c systèm e st u’il st im ple , ia ble t oin s outeux arce u’il ’in clu t as e égu lateu r d tension, ce qu’il lui rend très tilis é à tr v ers le m o de [1 ].
Fig.III.9 Couplage direct d’un systè m e e om page V
La Figure III.10 représ ente e s iffé re n tes g an deurs d s stèm e de po page photovoltaïq ue n égi m e p rm anent. A p rtir d un d m e nsio n nem ent d g nér ate u r com e suit :
Le nombre de panneaux en sér ie t n arallè le s ra r spectiv e m ent N =35 e N =1 pour une plage de l’éc la ir em ent ntre 25 /m ² t 000W /m ² t ne e m péra ture c nstan te de 25°C. Le fonctionnement du systèm e st m éli o r é p a l’ t ilis a tion de te h nique s de commandes. Le point de fonctionnement du systèm e st ’in te rsectio n es aracté ri stiq u es I(V) et P(V) du gén éra teu r e c lle d g oupe m teu r-p o m pe.
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
43
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5G = 125 W/m2 ......... 1000 W/m2
Tension [V]
Cou
rant
[A]
0 100 200 300 400 500 600 7000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600125 W/m2 ------- 1000 W/m2
Tension [V]Pu
issa
nce
[W]
Fig. III.10Points de fonctionnement du systèm e e om page hoto volta ïq u e d re ct p ur
différ ents cl aire m ent ( = 25°C). A ant o tim isa tio n
III.7 FONCTIONNEMENT DES PANNEAUX PV DANS LES CONDITIONS
OPTIMALES
L’opér atio n ptim ale ’u n yste m V st m porta nte our ugm ente r ’e ffic acité d s panneaux solaire. La caractér is tiq ue ’u n PV st on in iè re e v rie a ec l s t m pérat ures ambiantes et l’éc la ir em ent. ar onséq u ent, u e t chniqu e d M PT e t e igé e p o r ob enir la puissance maximum d’un GPV dans le but d’amé l io rer on endem ent. utrem ent it maximiser la puissance dél iv rée à la c h rge re iée a u x bor es du én rat eu r
III.7.1 DEFINITION DE L’MPPT D’UN SYSTEME SOLAIRE
PHOTOVOLTAÏQUE
Un MPPT (Maximum Power point Tracker) est une commande associée u é ag e d’adaptation permettant de faire fonctionner un gé n éra teu r é e c triq u e no li é a ire d e aç n à produire en permanence le maximum de sa puissance. Les systèm es PPT ont én é ral em e nt associés vec e én é rat eur ph tovo ltaïq ue . Un ég lat eur M PPT perm t alor d e p lo er le convertisseur statique reliant la charge et le panneau photovoltaïq ue e aniè re à fo rnir le maximum de puissance de à a harge a ig ure II.1 1 eprése nte u e c aine d c nventio n photovoltaïq ue vec onvertis seur tatiq ue ontrôlé p a M P T et un m a hine as nchrone et
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
44
la pompe. Plusieurs méthodes permettent de rechercher le point de puissance maximale, la solution
proposée dans ce mémoire est la méthode P&O.
Fig.III.11Couplage d’un système de pompage PV avec optimisation
III.7.2 La technique perturbation et Observation « P&O »
La méthode P&O fonctionne en perturbant périodiquement la tension VPV d’une faible
amplitude autour de sa valeur initiale (Δv) et on observe la variation de la puissance PPV qui en
résulte [15];
Ainsi, on peut déduire que si une incrémentation positive de la tension Vpv engendre un
accroissement de la puissance PPV(c’est-à dire ΔP> 0, comme illustré dans la figure III.12 la
perturbation de la tension déplace le point de fonctionnement vers une autre point plus proche du
point de puissance maximal. Et on continue à perturber la tension dans la même direction. Ceci va
déplacer le point de fonctionnement jusqu’à atteindre le PPM.
Si au contraire, la puissance décroit, ΔP < 0, le point de fonctionnement s’éloigne du PPM.
Alors, on doit perturber la tension avec un signe algébrique contraire au signe précédent pour
déplacer le point de fonctionnement jusqu’à atteindre le PPM.
A partir de ces diverses analyses sur les conséquences d’une variation de la tension sur la
caractéristique PPV (VPV), il est alors facile de situer le point de fonctionnement, et faire converger
ce dernier vers le maximum de puissance à travers un ordre de commande approprié
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
45
Fig.III.12 Application de la commande P&O sur la caractéristique PPV (VPV)
Explication en utilisant la perturbation de Vréf: mesure
Si ΔP = Pk - Pk-1 < 0
Si ΔVréf = Vréfk - Vréfk-1 < 0, on augmente Vréf;
Si ΔVréf > 0, on diminue Vréf.
Si ΔP > 0
Si ΔVréf < 0, on diminue Vréf;
Si ΔVréf > 0, on augmente Vréf.
ΔV = C (incrémentation)
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
46
Fig. III.13: Schéma explicatif de l'algorithme Perturbation et Observation (P&O) [13]
La figure III.13 représente l’algorithme classique associé à une commande MPPT de type
P&O, où l’évolution de la puissance est analysée après chaque perturbation de tension. Pour ce type
de commande,
III.8 SYNTHESE DE FONCTIONNEMENT DU SYSTEME GLOBALE
L’algorithme de recherche du point de fonctionnement maximal se fera de la façon suivante
[14]:
• Déterminer, pour un éclairement et température donnée, la caractéristique I(V) du générateur
et le point de puissance maximale .
• Détermination de la vitesse optimale de référence de la machine en fonction des
caractéristiques du générateur photovoltaïque qui sont elle-même en fonction de l’éclairement et la
température à travers de la procédure suivante:
On a l’équation :
Et on sait que:
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
47
Où est le rendement de la pompe
La puissance du moteur lui aussi peut être déterminée en fonction du rendement de ce
dernier comme suit :
Où est le rendement du moteur et est la puissance à la sortie du convertisseur.
De même
Où est la puissance maximale que le générateur photovoltaïque peut délivrée.
Donc
Finalement la vitesse optimale en fonction des valeurs maximales du courant et de tension
du générateur photovoltaïque est :
Où sont respectivement le rendement de l’onduleur, du
moteur et de la pompe [16]. Cette vitesse sera la référence de la boucle de régulation de vitesse
comme montré dans la figure III.6.
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5G = 125 W/m2 ......... 1000 W/m2
Tension [V]
Cou
rant
[A]
0 100 200 300 400 500 600 7000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600125 W/m2 ------- 1000 W/m2
Tension [V]
Puis
sanc
e [W
]
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
48
Fig. III.14 Points de fonctionnement du système de pompage photovoltaïque pour différant
éclairement (T=25°C). Avant et Après optimisation
III.9 RESULTATS DE SIMULATION EN REGIME DYNAMIQUE
Les résultats de simulation illustrés par la fig. III.15 concernent le groupe motopompe
(MAS + pompe) alimenté par un GPV fonctionnant en régime dynamique, c.à.d. lorsqu’il y a une
variation brusque de l’éclairement, avec la commande MPPT (P&O).
0 0.5 1 1.5 2-5
0
5
10
15
20
25
30
Temps [S]
Cou
ple[
N.m
]
CeCr
0 0.5 1 1.5 2-10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
Temp [S]
Vite
sse
[rad/
S]
WoptW
Fig.III.15.a Couple électromagnétique Fig.III.15.b Vitesse de rotation
0 0.5 1 1.5 2-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
Temp [S]
Flux
[Web
]
frdfrq
Fig.III.15.c Flux rotorique
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
49
0 0.5 1 1.5 2-5
0
5
10
15
20
25
30
35
Temp [S]
Cou
rant
[A]
isdisq
0 0.5 1 1.5 20
500
1000
1500
2000
2500
Temp [ S ]
Pui
ssan
ce [
W ]
Fig.III.15.e Courant statorique Isd & Isq Fig.III.15.f Puissance Ppv (t)
0 0.5 1 1.5 20
100
200
300
400
500
600
700
Temp [ S ]
Tens
ion
[ V ]
0 0.5 1 1.5 20.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Temp [ S ]
Cou
rant
[ A
]
Fig.III.15.g: Tension Vpv (t) Fig.III.15.h: Courant Ipv (t)
Résultats de simulation des différentes grandeurs du système de pompage photovoltaïque
(Fig.III.15) avec optimisation par la méthode P&O, (T=25°C).
(0s< t <0.5s) G = 1000 W/m²,
(0.5s < t< 1.5s) G = 200 W/m²,
(1.5s < t< 2s) G = 700 W/m².
A partir des caractéristiques ci-dessus
Le changement de l’éclairement influe sur les caractéristiques de la machine asynchrone et
par conséquence sur les performances de la pompe. Le courant et la tension du GPV convergent vers
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
50
leurs valeurs optimales montrant ainsi l’efficacité de l’adaptateur MPPT. A chaque fois que
l’ensoleillement change, la vitesse de consigne suit sa valeur optimale .
La vitesse de la machine suit sa consigne sans dépassement montrant l’efficacité de la
boucle de régulation de vitesse, et le couple résistant évolue avec la vitesse (proportionnel à la
vitesse carré). Le flux rotorique est maintenu constant au voisinage de sa valeur de consigne
nominale ( et ) montrant l’efficacité de la commande vectorielle.
Les résultats de simulation montrent ainsi l’efficacité de l’adaptateur MPPT pour
l’extraction de la puissance maximale, afin d’exploiter la vitesse optimale.
On constate aussi qu’il y a une oscillation pour les différentes grandeurs à cause de la
technique de MPPT.
Aussi le choix du pas d’incrémentation (dans ce cas ΔV = 0.05), pour améliorer la forme de
tension d’alimentation consiste à minimiser ce pas, ce qui augmente les commutations au niveau de
l'onduleur de tension, et par conséquence augmente le temps de réponse du système, mais augmente
aussi les pertes de commutation.
Si nous appliquons trois niveaux d’éclairement (G = 1000 W/m², G = 200 W/m² et
G=700W/m² successivement), tout en gardant une température constante égale à 25°C :
Au premier palier d’éclairements G=1000W/m2, où la valeur de la puissance maximale du
GPV est de 2116 W correspondant à une tension optimale de 617 V et un courant optimal de 3.39 A,
ainsi qu’à une vitesse de 72 rad/s comme le montre les figure (III.15.f, g, h et b)
Pour une diminution d’éclairement de 200 W/m², il y a une diminution de puissance
électrique maximale jusqu’à 411.3 W, correspondant à une tension optimale de 616.97 V (on
remarque qu’elle est presque constante) et un courant optimal de 0.7A. De même la vitesse et le
couple résistant diminué respectivement d’environ 40.4 rad/s et le couple résistant égal à 1 N.m, ce
qui correspond à des pourcentages de 44%, 1%, et 80.57% respectivement pour la vitesse, la tension
et la puissance.
Une autre augmentation brusque d’éclairement de 700 W/ m2, donne une puissance
électrique maximale de 1411W, correspondrait à une tension optimale de 616.99 V et un courant
optimal de 2.4A, la vitesse environ 64 rad/s, et le couple résistant égal à 2 N.m. Il y a donc une
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
51
augmentation de 0.1 % pour la tension, 44% pour la puissance et 22 % pour la vitesse par rapport au cas préc éd a nt.
On remarque que la puissance dél iv rée p r l G V o cille a tou r d un e v leu r moyenne, (Fig.III.15.f), C’est l’inconvén ie nt e ette éth o de.
Les figures III.16.a, b, représ ente nt e s iffé re ntes g andeurs d s stèm e de po page photovoltaïq ue our ne la ge e ’é cl aire m ent e tre 1 5 W m² e 1 00 W m² a ec u e tempé r atu re onsta nte =25°C .
0 100 200 300 400 500 600 7000
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5G = 125 W/m2 ......... 1000 W/m2
Tension [V]
Cou
rant
[A]
Iopt(Vopt)Ich(Vch)
Fig. III.17(a) Tensions de charge pour le couplage avec MPPT.
Chapitre III modélisation et simulation d’un système de pompage photovoltaïque
52
Fig. III.17 (b) Rendement global
Les caractéristiques (I-V) illustre la position des points de fonctionnements du groupe
motopompe par rapport aux points de puissances maximales du GPV (Fig. III.16.a). On remarque un
rapprochement satisfaisant de la caractéristique de charge optimisée avec celle pour la valeur
maximale de puissance. Ainsi, on obtient une légère augmentation du rendement global du système
entier lorsque l’éclairement est proche a la valeur de référence normalisé (1000W/m2) est reste
presque constant même pour les valeurs réduite d’ensoleillement ce qui confirme la validité de la
méthode de poursuite de point maximum de puissance utilisée.
III.10 CONCLUSION
Dans ce dernier chapitre, nous avons étudié une structure de commande utilisant à la fois le
concept de la méthode du flux rotorique orienté (FOC) pour la machine asynchrone et le
fonctionnement en MPPT par l’algorithme P&O, pour l’adaptation de la puissance. La stratégie de
commande vectorielle par orientation du flux rotorique est utilisée ici comme une solution pour
contrôler la vitesse de rotation de la MAS. La commande avec l’adaptateur MPPT permet
d’optimiser les performances du système de production photovoltaïque en fonction de
l’ensoleillement.
CONCLUSION GENERALE
53
Le travail présenté dans ce mémoire concerne la modélisation, et la simulation d'un
système de pompage solaire; à savoir : les panneaux photovoltaïques, l’onduleur de tension, le
moteur asynchrone et la pompe (la pompe considéré comme un couple de charge
proportionnel au carré de la vitesse).
Les systèmes photovoltaïque présente les avantages suivant :
La durée de vie des modules photovoltaïques dépasse 20 ans
Le coût de fonctionnement est faible. La maintenance est limitée à une ou deux
visites annuelles effectuées par un professionnel. Il n’y a pas d’usure mécanique car il n’y a
pas de pièce en mouvement, pas de moteur... (À l’exception d’un groupe électrogène
d’appoint, qui n’est utilisé que ponctuellement en site isolé).
Par contre, les investissements sont élevés et le recours à cette technologie impose
une analyse très fine des besoins et l’utilisation impérative d’appareils énergétiquement
performants.
Enfin, les aspects positifs pour l’environnement ne sont pas négligeables : pas de
nuisance sonore, pas de ligne électrique supplémentaire, pas de pollution, peu de déchets.
Le groupe motopompe est connecté aux panneaux photovoltaïques à travers un onduleur
et une commande vectorielle et complétée par l’intégration du MPPT afin d’élevé le
rendement du système de pompage photovoltaïque et optimiser son fonctionnement.la
technique P&O est utiliser comme technique de poursuite du point maximale de puissance.
Mais cette technique présente quelques inconvénients tels que la divergence dans le cas d’un
changement brusque des conditions atmosphériques et la complexité d’implantation.
L’optimisation de groupe moteur asynchrone pompe centrifuge dans plusieurs recherche
scientifique est généralement effectue à travers deux convertisseurs statiques, le premier est
un convertisseur DC-DC qui a comme but de détecte le point de puissance maximale et
d’alimenter le deuxième convertisseur qui est un onduleur a commande MLI qui garantit
l’alimentation du moteur asynchrone, mais dans notre travail cette optimisation ne nécessite
pas l’utilisation d’un hacheur ce qui donne un système simple ,plus rentable et moins coûteux.
:ملخصومدى تأثیر العوامل , Matlab/Simulinkالدراسة المطروحة تتضمن نمذجة الخلایا الكھروضوئیة باستعمال برنامج
.على الاستطاعة المقدمة) شدة الاضاءة ودرجة الحرارة(المناخیة
.يوضوئاستخدامالمولدالكھربتحسیننقوملكی, (MPPT)ىالھدفمن ھذاالعمل ھواستخدامنظامتعقبنقطةالاستطاعةالعظم
شدة رفيیلكلتغ النقطةالعظم مناجلالبحثعل, P&O)(والملاحظة الاضطرابكخوارزمیة,الخوارزمیةنستعملالقواعدولھذا
التي ھي )MPPT(الأعظمیة الاستطاعاتمقارنة بین الربط المباشر وتقنیة متابعة نقاط م بوعة ب ,الكھروضوئيللمولدةءاضالا
. مرورا على محول التیار المستمر إلى متناوب لاتزامنيمضخة محركلتغذیةفي النھایة استعمال ھذه التقنیة. ضروریة
.MPPT ,P&O, الأداءتحسين , المضخة, وضوئيإلكتر :كلمات م تاحية
Abstract:
The proposed study relates to the modeling of the photovoltaic cells with Matlab/Simulink, and
the meteorological condition influence (temperature, illumination) about the release power.
This work made for realize a Maximum Power Point Tracking (MPPT) system, in the goal
ofoptimize the using of the solar panel.For this aim, we employed several methods based on
algorithms of optimization as« Perturbed & Observer » (P&O) Algorithm, come within reach of
the (MPPT)searching in each luminosity variation of the panel.Followthe comparison between the
direct coupling and the technique of tracking the point of maximum power, MPPT, proves to be
necessary. Finally the use of this technique to supply a converter DC/AC and the load.
Keywords: Photovoltaic, pumping, Coupling, optimization, MPPT, P&O.
Résumé
L’étude proposée concerne la modélisation des cellules photovoltaïques sous Matlab/Simulink,
et l’influence des conditions météorologiques (température, éclairement) sur la puissance délivrée.
Le but de ce travail est de réaliser un système de suivi du point de puissance maximum(MPPT)
et ce, afin d’optimiser l’utilisation d’un panneau photovoltaïque. Pour cela, on autilisé des
méthodes basées sur des algorithmes d’optimisation tels que l’algorithme, «Perturber & Observer»
(P&O), afin de rechercher le point de puissance maximum pourchaque changement de
l’éclairement d’un panneau solaire, suit une comparaison entre le couplage direct et la technique
de MPPT, s’avère nécessaire. Enfin l’utilisation de cette technique pour alimenter un convertisseur
DC/AC qui alimente un groupe motopompe.
Mot clés :photovoltaïque, pompage, couplage, optimisation, MPPT, P&O.
BIBLIOGRAPHIES
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autonome».2008 Magister Universitaire De Bechar.
[2] Jimmy ROYER, Thomas DJIAKO, Eric SCHILLER, Bocar SADASY, «Le pompage
photovoltaïque» Manuel de cours à l’intention des ingénieurs et des techniciens Institut
de l’énergie des pays ayant en commun l’usage du français Université d’Ottawa, 1998.
[3] http://www.energieplus-lesite.be/energieplus/page_16759.htm?reload
[4] http://www.photovoltaique.guidenr.fr/III_effet_inclinaison_module_photovoltaique.php
[5] Direction des Énergies Nouvelles et Renouvelables «Guide des Energies Renouvelables»
Ministère de l’Energie et des Mines, Algérie, édition 2007.
[6] http://www.luxol.fr/projet-toiture-solaire/14-effet-photovoltaique.html
[7] VIGHETTI Stéphane «Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau» Thèse doctorat,
Université de Grenoble, France, 24 septembre 2010.
[8] ZAAMTA Souad «Réalisation d'un régulateur solaire à base de microcontrôleur pour le
contrôle de l'état de charge et la protection des accumulateurs» Mémoire magister Oum
El Bouagui 2008.
[9] PETIBON Stéphane «Nouvelles architectures distribuées de gestion et de conversion de
l’énergie pour les applications photovoltaïques» Thèse doctorat de l’université de
Toulouse, 20 Janvier 2009.
[10] CEDRIC Cabal «Optimisation énergétique de l’étage d’adaptation électronique dédié à
conversation photovoltaïque» Thèse doctorat, Université Toulouse, France. Décembre
2008.
[12] MEFLAH Aissa «modélisation et commande d’une chaine de pompage photovoltaïque»
Mémoire magister, Université Abou Bekr Belkaid– Tlemcen, 14 novembre 2011.
[13] BAKHTI Souad «étude comparative des paramètres physiques des matériaux
photovoltaïques a base de silicium monocristallin et poly cristallin» Mémoire magister
université Abou Bekr Belkaid – Tlemcen.
Références bibliographiques
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centre régional associé de GRONOBLE (C.U.E.F.A), 7 mars 2001.
[15] BAZI Smail «Contribution à la Commande Robuste d’une Machine Asynchrone par la Technique PSO (Particle Swarm Optimization)» 07/05/2009Doctoratl’Université de Batna
[16] Laid ZAROUR, «étude technique d’un système d’énergie hybride photovoltaïque-éolien hors réseau», Thèse Doctorat, Université Mentouri de Constantine (UMC), Algérie, 2010.
[17] Riad TOUFOUTI, «Contribution à la commande directe du couple de la machine asynchrone», Thèse Doctorat, UMC, Algérie, 2008. ANNXE
ANNEXE
ANNEXE_B
B.1 Hypothèses simplificatrices
La modélisation de Park est construite à partir des équations électriques de la machine. Les
hypothèses généralement admises dans le modèle de la machine asynchrone sont :
• La parfaite symétrie de la machine.
• L’absence de saturation et de pertes dans le circuit magnétique (l’hystérésis et les courants
de Foucault sont négligeables)
• La répartition spatiale sinusoïdale des champs magnétique le long de l’entrefer.
• L’équivalence du rotor en court-circuit à un enroulement triphasé monté en étoile.
• L’alimentation est réalisée par un système de tensions triphasées symétriques.
• On néglige l’effet de peau.
• L’additivité de flux.
• La constance des inductances propres.
• La constance des résistances statoriques et rotoriques.
• La loi de variation sinusoïdale des inductances mutuelle entre les enroulements statoriques
et rotoriques en fonction de l’angle de leurs axes magnétiques.
B.2 TRANSFORMATION DE PARK
La transformation de Park permet de passer d'une représentation dans le repère triphasé (a, b,
c) à une représentation biphasé dans un repère dit de Park à axes orthogonaux (d, q, o). En
se basant sur les hypothèses simplificatrices, et en appliquant la transformation de Park au
stator et au rotor, on peut exprimer l'ensemble des relations de la machine dans ce repère
comme suit :
• = ( )[ ] ( . 10)
• Le nouveau modèle est obtenu en multipliant les équations des flux et des tensions par la matricede Park qui s’exprime par :
• ( ) = 2/3 ( − 2 3⁄ ) ( + 2 3⁄ )− − ( − 2 3⁄ ) − ( + 2 3⁄ )1/√2 1/√2 1/√2 ( . 11)
ANNEXE_B B.3 Paramètres de la machine asynchrone
P(kW) Rs(Ω) Rr(Ω) Ls (H) Lr(H) Msr(H) J(kg/m²) F(Nm/m²) Wn(rad/s) P 1.5 5.72 4.2 0.462 0.462 0.44 0.0049 0.0098 150 2
B.4 Pompe centrifuge :
kp=3.3e-4 ; kr=3.3e-4;
B.5 Paramètres du régulateur PI
Régulateur de vitesse Régulateur de courant
0.7 10 0.06 0.49 0.01 s 4.3 952.95