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UNIVERSITÉ DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES TECHNOLOGIE SANT

UNIVERSITÉ DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE ÉCOLE DOCTORALE SCIENCES TECHNOLOGIE SANTE (547) THÈSE Pour obtenir le grade de DOCTEUR DE L’UNIVERSITÉ DE REIMS CHAMPAGNE-ARDENNE Discipline : AUTOMATIQUE, SIGNAL, PRODUCTIQUE, ROBOTIQUE Spécialité :AUTOMATIQUE Présentée et soutenue publiquement par CUONG HUNG TRAN Le 22 janvier 2019 Améliorations d’une chaîne de conversion de l’énergie solaire en électricité autonome en vue d’application dans les pays en voie de développement Thèse dirigée par M. Abdelaziz HAMZAOUI JURY M. M’Saad MOHAMMED, Professeur, Université de Caen Normandie, Président M. Said DOUBABI, Professeur, Université de Cadi Ayyad, Rapporteur M. Rachid ,BOUYEKHF Maître de Conférences HDR, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard , Rapporteur M. Mondher FARZA, Professeur, Université de Caen Normandie, Examinateur Mme. Alice YALAOUI, Maître de Conférences HDR, Université de Technologie de Troyes, Examinatrice M. Abdelaziz HAMZAOUI, Professeur, Université de Reims Champagne Ardenne, Directeur de thèse 1 2 Remerciements Ces travaux de thèses ont été effectué au sein du Centre de Recherche en Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication (CReSTIC) à l’IUT de Troyes. Je tiens en premier lieu à exprimer toute ma reconnaissance à mon directeur de thèse : Monsieur Abdelaziz HAMZAOUI, Professeur à l’Université de Reims, pour la confiance qu’il m’a témoignée. Son expérience de recherche, ses conseils et ses remarques constructives, m’ont permis de bien mener mon travail. Mes remerciements vont également à Monsieur Saïd DOUBABI et Monsieur Rachid BOUYEKHF pour l’intérêt qu’ils ont porté à mon travail en acceptant d’être les rapporteurs et pour leur participation à mon jury. Ses remarques m’ont permis d’améliorer la qualité de ce mémoire. Je tiens à exprimer ma profonde gratitude à Monsieur M’Saad MOHAMMED, pour l’honneur qu’il m’a fait, en acceptant de présider le jury. Mes remerciements vont aussi à Madame Alice YALAOUI, Monsieur Mondher FARZA d’avoir bien voulu faire partie de ce jury et juger ce travail. Je remercie également à Monsieur Najib ESSOUNBOULI, Professeur à l’Université de Reims, et Monsieur Frederic NOLLET, Maître de conférences à l’Université de Reims qui m’encadraient durant mes années de thèse, pour m’avoir transmis leurs connaissances, expériences et pour tous les précieux conseils qu’ils ont portés tout au long de cette thèse. Je remercie particulièrement Monsieur Jean-Lou SCULFORT, pour sa disponibilité et ses conseils et pour avoir lu et corrigé les fautes d’orthographes dans le manuscrit de cette thèse. Je tiens également à remercier à notre Grand-mère troyenne, Madame Annick BARDAINE- BOCQUIER, qui m’a apporté son soutien en me faisant répéter mon oral à deux reprises et en m’apportant certaines corrections et certains conseils, aussi bien oralement que par écrit. Un grand merci à l’ensemble du personnel de l’IUT de Troyes (enseignants chercheurs, doctorants, techniciens, ingénieur, secrétaires) qui sont su créer une ambiance de travail 3 agréable. Je leur souhaite beaucoup de bonheur et de réussite dans leur vie personnelle et professionnelle. J’adresse également mes remerciements les plus respectueux à l’Etat Vietnamien qui m’a attribué une bourse, sans laquelle, cette thèse n’aurait jamais vu le jour. Je remercie évidement mes parents et ma sœur, qui m’ont encouragé et soutenu tout au long de ce travail. Enfin, je réserve la dernière partie de ces remerciements à mon épouse Hoang Kim Phuong LUU, qui a été admirable pendant tous ces mois pénibles, pendant lesquels ma thèse a absorbé une grande partie de mon temps. Elle m’a été d’une aide et d’un secours très précieux. 4 Résumé Au Vietnam, plus d’un demi-million d’habitations n’ont pas d’accès à l’électricité. Elles se situent principalement dans des régions montagneuses ou sur des îles. Cependant, c’est un pays qui possède un grand potentiel en énergies renouvelables. Dans ce contexte, l’alimentation en électricité pour les sites isolés est une solution prometteuse en termes économique et environnemental. L’énergie solaire est la plus adaptée à l’alimentation en électricité des villages en raison d’un ensoleillement important et d’une maintenance relativement facile. Dans les systèmes de conversion d’énergie utilisant des sources d’énergies renouvelables, on utilise généralement des convertisseurs statiques simples. En effet, si l’on prend un système photovoltaïque, la poursuite du point de puissance maximale (MPPT) se fait à l’aide d’un convertisseur « boost » ou « buck-boost ». Ainsi, en cas de défaillance, le système est mis hors service. L’objectif de cette thèse est d’apporter des améliorations au niveau d’un système photovoltaïque autonome pouvant être utilisé dans un site isolé. Ainsi nous avons développé un algorithme de recherche du point de puissance maximale (MPPT) utilisant des convertisseurs DC-DC à trois niveaux (CBTN) permettant d’extraire le maximum de puissance d’un générateur photovoltaïque quelles que soient les variations climatiques (température, ensoleillement) ou de la charge. L’architecture à base de panneaux solaires associé à un système de stockage a nécessité la mise en place d’un superviseur flou afin de maîtriser la gestion des flux. Enfin, nous avons proposé une méthode de détection de défauts afin de gérer efficacement les cas de défaillance d’un élément du convertisseur multiniveaux. En effet, en cas de défauts, on doit pouvoir passer en mode dégradé pour pouvoir assurer un service proche du comportement nominal ou au moins minimal en attendant une maintenance corrective. 5 6 Abstract In Vietnam, more than half a million people do not have access to electricity. They are mainly in mountainous regions or on islands. However, this country has great potential for renewable energy. In this context, these sources of energy can be regarded as promising solutions both economically and environmentally for supplying electrical power. Solar energy is the most suitable to supply villages with electricity because of the plentiful solar radiation and relatively easy maintenance of the structures. In energy conversion systems using renewable energy sources, simple static converters are generally used. Indeed, if we explore a photovoltaic system, the maximum power point tracking (MPPT) is done using a boost or buck-boost converter. Thus, in case of failure, the system is simply switched off. The aim of this thesis is to make improvements to an autonomous photovoltaic system that can be used in an isolated site. Therefore, an MPPT algorithm using three-level DC-DC converters is developed to extract the maximum power of a photovoltaic generator, whatever the climatic variations (temperature, sunlight) or charge. The system’s architecture is based on solar panels associated with a storage system, which required the development of a fuzzy supervisor to control the flow management. Finally, we propose a fault detection method to efficiently manage the failure of a multi-level converter element. Indeed, if there is a fault, we must go into a degraded mode to provide a service close to normal or at least minimal functioning, pending maintenance. 7 8 Table des matières Remerciements .............................................................................................. 2 Résumé .......................................................................................................... 4 Abstract ......................................................................................................... 6 Table des matières ......................................................................................... 8 Liste des figures ........................................................................................... 13 Liste des tableaux ........................................................................................ 20 Acronymes ................................................................................................... 22 Introduction générale .................................................................................. 24 Chapitre 1 Contexte et problématique ......................................................... 30 I Contexte énergétique ........................................................................................................ 31 II Énergies renouvelables ..................................................................................................... 33 II.1 Types d’énergies renouvelables ................................................................................. 33 II.1.1 Solaire ou photovoltaïque .................................................................................. 33 II.1.2 Hydroélectricité .................................................................................................. 35 II.1.3 Éolienne .............................................................................................................. 36 II.1.4 Marine ................................................................................................................. 38 II.2 Bilan mondial actuel des énergies renouvelables ...................................................... 39 II.3 Contexte du Vietnam .................................................................................................. 42 II.3.1 Contexte énergétique au Vietnam...................................................................... 42 II.3.2 Contexte des énergies renouvelables au Vietnam ............................................. 45 II.4 Énergie solaire au Vietnam ......................................................................................... 48 II.4.1 Le potentiel de l’énergie solaire au Vietnam ...................................................... 48 9 II.4.2 Barrières au développement de l’énergie solaire au Vietnam ........................... 49 III Système de production d’électricité photovoltaïque ...................................................... 50 III.1 Principe de la conversion photovoltaïque ................................................................. 50 III.1.1 Cellule photovoltaïque ....................................................................................... 50 III.1.2 Caractéristiques électriques d’une cellule photovoltaïque ............................... 51 III.2 Facteurs influençant le fonctionnement d’une cellule photovoltaïque .................... 52 III.2.1 Influence de l’éclairement E (W/m2) ................................................................. 52 III.2.2 Influence de la température .............................................................................. 53 III.3 Module photovoltaïque ............................................................................................. 53 III.4 Avantages et inconvénients des énergies solaires photovoltaïques autonomes ..... 57 III.5 Composants des systèmes photovoltaïques autonomes .......................................... 59 III.6 Étage d’adaptation continu-continu.......................................................................... 61 Chapitre 2 Étude, modélisation et commande d’un convertisseur Boost à trois niveaux ........................................................................................................ 64 I Introduction ........................................................................................................................ 65 II Étude du convertisseur de puissance DC-DC .................................................................... 66 II.1 Convertisseur DC-DC Boost conventionnel ................................................................ 66 II.1.1 Architecture - Mode de fonctionnement ........................................................... 66 II.1.2 Expression du gain en tension ............................................................................ 69 II.1.3 Ondulation du courant ........................................................................................ 71 II.1.4 Ondulation de la tension .................................................................................... 72 II.1.5 Contraintes maximales en tension et en courant ............................................... 72 II.2 Convertisseur DC-DC Boost 3 niveaux (CBTN) ............................................................ 73 II.2.1 Architecture – Mode de fonctionnement ........................................................... 73 II.2.2 Expression du gain en tension ............................................................................ 78 II.2.3 Ondulation du courant ........................................................................................ 80 10 II.2.4 Ondulation de la tension .................................................................................... 85 II.2.5 Contraintes maximales en tension et en courant ............................................... 85 II.3 Comparaison ............................................................................................................... 86 III Modèle moyen du convertisseur DC-DC Boost à trois niveaux ....................................... 87 IV Contrôle du convertisseur DC-DC Boost à trois niveaux par Backstepping ..................... 90 IV.1 Principe de la commande par l’approche Backstepping ........................................... 90 IV.2 Synthèse de la commande par la méthode Backstepping du convertisseur DC-DC Boost à trois niveaux ........................................................................................................ 92 IV.2.1 Régulation directe ............................................................................................. 92 IV.2.2 Régulation indirecte .......................................................................................... 96 IV.3 Résultats de simulation ............................................................................................. 99 IV.3.1 Charge constante ............................................................................................. 100 IV.3.2 Poursuite uploads/Geographie/ tran-2019-archivage.pdf