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1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement S

1 République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieur et de La Recherche scientifique Université Hadj Lakhdar – Batna Faculté de Technologie Département d’Electrotechnique THÈSE DE DOCTORAT EN SCIENCES Présentée par : Mechouma Rabiaa Ingénieur d’état en Electrotechnique de l’Université de Batna, Algérie, 1990 Magister en Electrotechnique de l’Université de Batna, Algérie, 2002 Thème : Contribution à l’étude des onduleurs dans les systèmes photovoltaïques: Applications pour les charges commerciales Soutenue le 14/03/2015 Devant le jury composé de : Nom & Prénom Abdessemed Rachid Azoui Boubekeur Bendaas Lokmane Rahem Djamel Menacer Arezki Benalla Hocine Grade Professeur Professeur Professeur Professeur Professeur Professeur Université Université de Batna Université de Batna Université de Batna Université d’O.E.B Université de Biskra Université de Constantine Fonction Président Rapporteur Examinateur Examinateur Examinateur Examinateur 2 À : Mes parents, Mon époux Mr : ALOUI. NACER, Mes enfants : ABDESSALAM et RAOUNAK, 3 Sommaire Remerciements Dédicaces Résumé Introduction générale…………………………………………………………..………… .14 Chapitre N°1 Perspectives énergétiques et électricité I.1 Introduction................................................................................................................….. .17 I.2 Ressources et consommation énergétiques mondiales………………….……………… 17 I.2.1 L’énergie …c'est-à-dire ?.............................................................................................. 17 I.2.2 L’histoire de l’énergie …………………………………………………………...…... 17 I.2.3 Consommation énergétique mondiale …………………………………………….… 18 I.2.4 Impact sur l’environnement …………………………………………..……………… 21 I.2.4.1Les combustibles fossiles………………………………………………………...….. 21 I.2.4.2 L’énergie nucléaire……………………………………………………………...….. 22 I.2.5 Réserves des énergies dites épuisables (non renouvelables)…………………...…….. 23 I.3 Production de l’électricité…………………………...………………………………….. 25 I.4 Énergies renouvelables…………………………………………………...……………...26 I.4.1 Généralités…………………………………………………………………...…….…...26 I.4.2 Production d’énergie électrique par sources renouvelables ………………………......27 I.4.2.1 La production d’électricité, un facteur de développement……………...……..……27 I.4.2.2 Part de la production d’électricité renouvelable dans le monde ……………………28 I.4.2.3 Croissance des filières renouvelables cinq (05) fois plus rapide que celle de l’hydraulique …………………………………………………………………………..….…29 I.4.3 Potentiel de l’énergie solaire...………………………………………………..………..30 I.4.3.1 Exemples de l’évolution mondiale du solaire photovoltaïque ……………..………..31 I.4.3.2 Les énergies renouvelables, une priorité en Algérie …………………………..…….32 I.4.3.3 Le solaire en Algérie …………………………………………………………………34 I.5 Conclusion..……………………………………………………………..…...…………....35 I.6 Références ……………………………………………………………………………......36 Chapitre N°2 Notions générales sur les systèmes photovoltaïques et leurs composants II.1 Introduction………………………………………………………………………………38 II.2 Historique sur le photovoltaïque ………………………………………………………38 II.3 La source photovoltaïque : le rayonnement solaire ……………………………………..39 II.3.1 Définition ………………………………………………………………………………39 4 II.3.2 Caractéristiques du rayonnement solaire………………………………………………40 II.3.2.1 Angles Soleil-Terre ………………………………………………………………….40 II.3.2.2 Rayonnement solaire sur un plan horizontal ………………………………………...43 II.3.2.3 Rayonnement solaire sur un plan incliné ……………………………………………45 II.3.3 Spectre du rayonnement solaire………………………………………………………..46 II.3.4 Utilisation de l’énergie solaire…………………………………………………………47 II.3.4.1 L’énergie solaire thermique………………………………………………………….48 II.3.4.2 L’énergie solaire thermodynamique…………………………………………………48 II.3.4.3 L’énergie solaire photovoltaïque…………………………………………………….48 II.3.5 Applications du photovoltaïque………………………………………………………..49 II.3.5.1 Le photovoltaïque raccordé au réseau……………………………………………….49 II.3.5.2 Le photovoltaïque (autonome) non raccordé au réseau électrique………………….50 II.3.5.3 Les systèmes hybrides………………………………………………………………..51 II.3.6 Les technologies du photovoltaïque…………………………………………………...52 II.3.6.1 La cellule photovoltaïque : Élément de base de la conversion (PV)………………..52 II.3.6.2 Types de cellules photovoltaïques…………………………………………………..53 II.3.6.3Notion de module photovoltaïque……………………………………………………55 II.3.6.4Caractéristiques électriques d’un module photovoltaïque (PV)……………………..56 II.3.6.4.1 Caractéristiques courant-tension et puissance-tension d'un module (PV)………..56 II.3.6.4.2 Effet du niveau d'éclairement sur les caractéristiques module (PV)………………57 II.3.6.5 Orientation et inclinaison des modules………………………………………………58 II.3.7 Notion d’un champ photovoltaïque ……………………………………………………59 II.3.8 Composants d’un système photovoltaïque………………………………………….…59 II.3.8.1 Le champ photovoltaïque (ou le GPV ou générateur photovoltaïque)……………...60 II.3.8.2 Les charges continues…………………………………………………………..…….62 II.3.8.3 Les batteries de stockage de l’électricité photovoltaïque……………………..……..62 II.3.8.4 Le convertisseur DC /DC………………………………………………………….....63 II.3.8.5 Le régulateur de charge /décharge……………………………………………………64 II.3.8.6 Commande MPPT pour un système photovoltaïque………...……………………….68 II.3.8.7 Le convertisseur DC/AC (l’onduleur) ……………………………………………… 70 II.3.8.7.1 L'onduleur autonome (Stand alone Inverter)……………………………………....70 II.3.8.7.2 Onduleur non autonome ou onduleur raccordé au réseau (Grid Connected Inverter)……………………………………………………………………………………….71 II.3.8.8 Configurations des onduleurs photovoltaïques……………………………………....73 II.3.8.9 Contrôle des onduleurs connectés au réseau………………………………………....74 II.3.8.10 Évolution des onduleurs photovoltaïques ………………………………………….75 II.3.8.11 Les charges alternatives……………………………………..………………………76 II.3.9 Conclusion……………………………………………………………………………...76 II.5 Références………………………………………………………………………………..76 Chapitre III Modélisation du générateur photovoltaïque III.I Introduction………………………………………………………………………………79 III.2 Modélisation d’une cellule photovoltaïque……………………………………………...80 5 III.2.1 Modèles électriques……………………………………………………………………80 III.2.2 Modèles mathématiques ………………………………………………………………82 III.2.2.1 Premier modèle (à une diode)…………………………………………………….....82 III.2.2.2 Premier modèle (à deux diodes)...……………………………………………..…...84 III.2.2.3 Deuxième modèle mathématique …………………………………………..……....84 III.2.2.4 Troisième modèle mathématique………………………………………………..….85 III.2.2.4 Quatrième modèle mathématique………………………………………...………....86 III.3 Modélisation du panneau et du champ photovoltaïques………………………………...87 III.4 Détermination des paramètres du modèle ………………………………………………88 III.5 Pramètres basiques d’une cellule réelle……………………………………...………….88 III.6 Caractéristiques d’un panneau photovoltaïque…………………………………...……..90 III.7 Influence de l’intensité du rayonnement solaire sur les deux caractéristiques………….91 III.7.1 Définition du niveau d'éclairement……………………………………………...…....91 III.7.2 Effet du niveau d'éclairement sur les caractéristiques ……………………………....92 III.8 Influence de la température sur les deux caractéristiques ………………………………93 III.9 Influence du facteur d’idéalité des diodes……………………………………………….96 III.10 Influence de la résistance série RS sur les différentes caractéristiques……………..….99 III.11 Évaluation préliminaire des modèles …………………………………...……...…….101 III.12 Conclusion ……………………………………………………………………..…….102 III.13 Références……………………………………………………………...…..…………103 Chapitre IV Topologies des onduleurs Photovoltaïques IV.1Introduction ………………………………………………………………….…...…...105 IV.2 Principales fonctions d’un onduleur PV……………………………………………....106 IV.3 Différentes technologies d’onduleurs pour systèmes photovoltaïques……………….106 IV.3.1 Les onduleurs centraux…………………………………………...………………....106 IV.3.2 Les onduleurs mono-chaîne (String-Inverter) ……………………………………...107 IV.3.3 Les onduleurs Multi-chaîne (Multi-String-Inverter)………………………………..107 IV.3.4 Les onduleurs modulaires (ou intégrés au modules) (Module-Inverter)…………....108 IV.4 Classification des onduleurs pour systèmes photovoltaïques……………………........110 IV.4.1Classification selon le type du système photovoltaïque ………………………….…110 IV.4.1.1 L’onduleur pour application autonome (Standalone Inverter)……….………….. 110 IV.4.1.2 L’onduleur pour couplage au réseau électrique (Grid tied Inverter) ……………..110 IV.4.1.3 L’onduleur interactif (Interactive Inverter)…………………………...…………...111 IV.4.1.4 L’onduleur hybride (Hybride Inverter)…………...………………………………..112 IV.4.2 Classification selon le nombre d'étages de traitement de puissance……………..….112 IV.4.3 Classification selon la location de condensateurs de découplage de puissance……...113 IV.4.4 Classification selon l’utilisation des transformateurs et types d'interconnexions…....114 IV.4.4.1 Les avantages d'un onduleur avec transformateur……………..………….……….115 IV.4.4.2 Les avantages d'un onduleur sans transformateur………………………..……......115 IV.5 Types d’interfaçage des onduleurs au réseau électrique……………………………...115 IV.5.1 Onduleurs à commutation avec la fréquence du réseau (f=50Hz) (LCI : Line- CommutatedInverter)………...………...……………………………………………….......116 IV.5.2 Onduleurs à commutation avec la fréquence élevée (SCI : Self Commutated Inverter……………………………………………………………...…………………….....116 IV.5.2.1 Les onduleurs de tension ………………………………….…………………….....117 IV.5.2.2 Les onduleurs de courant………………………………...………………………...117 IV.6 Stratégies de commande ………………………………………..………………..........117 6 IV.6.1 Commande en tension……..…………………………………….……………….......117 IV.6.2 Commande en courant…………………………………………………...…………..117 IV.7 Dispositifs de commutation…………………………………………………...……….118 IV.8Topologies des onduleurs employés dans les systèmes PV …………………………...119 IV.8.1 Topologies des onduleurs monophasés……………………………………………...119 IV.8.1.1 Onduleurs munis d’un transformateur de type (LFT)…………………………......119 IV.8.1.1.1 Topologie utilisant un onduleur en pont de transistors………………………….119 IV.8.1.1.2 Topologie utilisant un onduleur en pont de transistors avec un convertisseur DC/DCsurvolteur...……………………………………...…….………………………….....120 IV.8.1.1.3 Onduleur couplé magnétique……………….……………………………….......121 IV.8.1.2 Onduleurs munis d’un transformateur de type (HFT)……………………….........122 IV.8.1.2.1Onduleur PV avec deux étages de conversion ……....……………………. …..122 IV.8.1.2.2 Onduleur PV avec trois étages de conversion……………………………….…122 IV.8.1.2.3 Onduleur PV avec trois étages de conversion et un transformateur ordinaire HF…………………………………………..………………………………………………123 IV.8.1.2.4 Onduleur PV avec quatre étages de conversion et un transformateur à point Milieu ……………………………………………………………………...…………..….124 IV.8.1.3 Onduleurs sans transformateur…………………………………………………...124 IV.8.1.3.1 Onduleur avec inductance flottante (topologie de Karschny) ………………...124 IV.8.1.3.2 Onduleur en pont avec convertisseur DC/DC Survolteur …………………….125 IV.8.1.3.3 Onduleur en pont H5……………………………………………………………126 IV.8.1.3.4Onduleur HERIC……………………………...…………………………………126 IV.8.1.3.5 Onduleurs en demi-pont avec convertisseur DC/DC Survolteur…………….....127 IV.8.1.3.6 Onduleurs en demi pont avec convertisseur DC/DC Survolteur et circuit de type HERIC………………………………………………………………………………………128 IV.8.1.3.7 Onduleurs à demi-pont avec convertisseur DC/DC double Survolteur…………………………………………………………………………………...128 IV.8.1.3.8 Onduleur à diodes clampées au neutre (NPC inverter)…………………………129 IV.8.1.3.9 Onduleur multi-chaînes avec plusieurs convertisseurs DC/DC survolteurs……………………………………………………………………………...….. 130 IV.8.1.3.10 Onduleur avec le concept Maître-esclave………………………...…………...131 IV.8.1.3.11 Onduleur avec le concept d’équipe……………………………………………132 IV.8.1.3.12 Topologie à base du convertisseur Cuk …………………………...…………..133 IV.8.1.3.13 Topologie à base du convertisseur ZETA……………………………………...134 IV.8.1.3.14 Topologie à base du convertisseur D2………………………………………....134 IV.8.1.4 Topologies d’onduleurs modulaires……………………………………………….135 IV.8.2 Topologies des onduleurs triphasés…………………………..……...……………...136 IV.8.2.1 Onduleur de tension (VSI) équipé de MOS avec convertisseur DC/DC survolteur……........................................................................................................................137 IV.8.2.2 Onduleur de courant (CSI)……………………………………………….………..138 IV.8.2.3 Onduleur triphasé à trois fils équipé de transistors bipolaires (BJT) sans convertisseur survolteur..……………………………….………………………………….........................139 IV.8.2.4 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif sans convertisseur DC/DC Survolteur……………………………………………………………………………...……139 IV.8.2.5 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif avec un seul convertisseur DC/DC survolteur ………………………………………...……………………………… 140 IV.8.2.6 Onduleur triphasé à quatre fils avec diviseur capacitif avec plusieurs convertisseurs DC/DC survolteur montés en parallèle……………………………………………………..140 7 IV.8.2.7 Onduleur triphasé à quatre bras …………………………………………...……....142 IV.8.2.8 Onduleur triphasé multi-chaîne à quatre fils…………………………………........142 IV.8.2.9 Onduleur triphasé parallèle………………………………………………...…...….143 IV.8.2.10 Onduleur triphasé avec stabilisateur et transformateur…………………………..144 IV.8.2.11 Onduleur avec transformateur à prise médiane……………………………...…...145 IV.9 Comparaison avec les onduleurs monophasés………………………..…...…...……....146 IV.10 Conclusion………………………………………………...……………………...…..147 IV.11 Références…………………………………………………………………………....148 Chapitre V Simulation des Onduleurs Photovoltaïques Couplés au Réseau Électrique BTA V.1 Introduction……………………...……………………………………………………...151 V.2 Les différents réseaux électriques………………………………………...…………….152 V.3 Simulation d’un système (PV) couplé au réseau basse tension A (BTA)…………........153 V.3.1 Simulation du système (PV) couplé au réseau BTA avec un onduleur monophasé en pont complet sans convertisseur DC/DC……………………………………...……...……..153 V.3.2 Simulation du système (PV) non couplé au réseau BTA avec un onduleur triphasé sans convertisseur DC/DC………………………………………...……………………………...159 V.3.2.1 Schéma de simulation……………………………………………...……………….159 V.3.2.2 Principe de la commande par hystérésis de l’onduleur ……………………………160 V.3.2.3 Résultats de simulation…………………………………………………………......161 V.3.2.4 Spectre de tension et du courant de sortie pour une phase………………………....163 V.3.2.5 Effet de la charge sur le rendement de l’onduleur……………………………….....165 V.3.3 Simulation du système (PV) couplé au réseau BTA avec un onduleur triphasé sans convertisseur DC/DC…………………………………………………………….....…….....166 V.3.3.1 Résultats de simulation pour une charge (R=30Ω, L=5mH)……………………………………………………………………………………...166 V.3.3.2 Influence de la charge sur le comportement dynamique du système………………168 V.3.3.3 Influence du rayonnement sur le comportement dynamique du système………….170 V.4 Conclusion……………………………………………………………………………....172 V.5 Références……………………………………………………………………………...173 Chapitre VI Simulation des Onduleurs Photovoltaïques Multi niveaux Couplés Au Réseau Électrique BTB et HT VI.1 Introduction…………………………………………………………………………….174 VI.2 Onduleur NPC triphasé à trois niveaux commandé par la stratégie PWM multiple avec convertisseur DC/DC survolteur ……………………………………………………......…..175 VI.2.1 Modèle du GPV…...………………………………………………………………... 176 VI.2.2 Modèle du convertisseur DC/DC survolteur et son contrôle…………………..……177 VI.2.2.1 Modèle du convertisseur DC/DC survolteur………………………………...…….177 VI.2.2.2 Contrôle MPPT du convertisseur DC/DC survolteur………………………...…....179 VI.2.3 Modèle de l’onduleur NPC triphasé trois niveaux…………………………………..179 VI.2.4 Commande PWM de l’onduleur NPC triphasé trois niveaux……………………….179 VI.2.5 Simulation du système global raccordé au réseau BTB…………………………….180 VI.2.5.1 Résultats des simulations avec un rayonnement solaire Constant (G=1000W/m2) avec réseau déconnecté……………………………………………...………………………181 8 VI.2.5.1.1 Caractéristique du GPV……………………………………………………...…..181 VI.2.5.1.2 Paramètres du convertisseur DC/DC survolteur……………………...……….....181 VI.2.5.1.3 Paramètres de uploads/Litterature/ onduleur-pv-chap4.pdf