Soutenance mémoire
Découplage de puissance avec configuration de l’onduleur
Le générateur photovoltaïque de façon approximative produit une puissance constante au point de puissance maximale. Cependant, la puissance à la sortie de l’onduleur ou du réseau est variable avec une fréquence double, d’où il est nécessaire d’équilibrer cette variation de puissance entre le générateur photovoltaïque et le réseau. Des techniques de découplage de puissance existent et la plupart du temps un élément de stockage est placé entre la sortie du générateur photovoltaïque et l’entrée de de l’onduleur. Les éléments de stockage les plus utilisés sont les condensateurs électrolytiques dus à leur faible coût et à leur grand volume (Hu et al., 2010). Cependant, ces condensateurs ont une courte durée de vie, entre 1000 et 7000 heures à 105oC (Investissements Écologiques, 2015). Les techniques de découplage de puissance peuvent être classées en trois groupes principaux en se tenant compte de l’emplacement du condensateur de découplage (Hu et al., 2010): découplage du côté du panneau photovoltaïque, découplage de la liaison CC, et le découplage du côté AC. Les auteurs (Kyritsis, Papanikolaou et Tatakis, 2007), (Shimizu, Wada et Nakamura, 2006), (Tan, Wang et Ji, 2007) et (Krein et Balog, 2009) présentent diverses techniques de découplage de grande fiabilité et bon rendement. Ces techniques diffèrent surtout par la taille du condensateur de découplage qui a un impact sur la durée de vie du système et aussi du nombre d’éléments utilisés qui a un impact sur le rendement total du circuit (Hu et al., 2010).
Réduction de la taille du condensateur du bus DC
Lors de la conception de l’onduleur photovoltaïque, le choix du condensateur de découplage est une étape très importante. La durée de vie de l’onduleur dépend énormément de ce condensateur de découplage, d’où son choix doit être judicieux pour offrir une durée de vie assez longue à l’onduleur. Le condensateur sur le bus CC de l’onduleur a pour tâche principale d’équilibrer la puissance entre le générateur photovoltaïque et le réseau. Cela est causé par le fait que la puissance produite par le panneau photovoltaïque est continue et celle du réseau est variable à double fréquence, donc le condensateur doit fournir l’énergie nécessaire pour équilibrer cette différence de puissance. Pour la plupart des cas, les condensateurs électrolytiques sont utilisés pour le découplage de puissance dans les systèmes photovoltaïques dû à leur grande capacité par rapport au prix. Cependant ils ont une durée de vie très limitée, ce qui oblige les concepteurs à utiliser des condensateurs de petite capacité à longue durée de vie. Plusieurs topologies ont été proposées pour la réduction de la taille du condensateur, ce qui permet l’utilisation de petits condensateurs. Dans (Krein et Balog, 2009), un filtre actif est utilisé comme circuit de découplage de puissance, ce qui a permis de réduire la taille du condensateur de découplage. Aussi dans (Shimizu, Wada et Nakamura, 2006), un circuit auxiliaire est utilisé pour le découplage de puissance, ce qui a réduit la capacité du condensateur. Les auteurs (Gu et Nam, 2006) utilisent une méthode de contrôle direct du courant du condensateur de découplage pour minimiser sa taille et utiliser par la suite des condensateurs longue durée de vie. Cette méthode consiste à égaliser le courant à la sortie du convertisseur DC/DC et le courant à l’entrée de l’onduleur.
Ce chapitre présente de façon succincte quelques travaux déjà réalisés dans divers domaines des systèmes photovoltaïques. Les deux grands groupes de système photovoltaïque à savoir le système photovoltaïque autonome et le système photovoltaïque connecté au réseau ont fait l’objet d’une brève discussion. Dans le cadre de ce travail de recherche sur l’amélioration de la durée de vie du condensateur du bus CC de l’onduleur, les condensateurs de liaison du bus CC ont été présentés de façon générale de même que les différentes topologies de l’onduleur. Plusieurs solutions ont été déjà proposées pour une amélioration de la durée de vie du condensateur du bus CC. Certaines solutions sont présentées comme étant traditionnelles et d’autres comme solutions modernes. La plupart des solutions modernes est basée sur le découplage de puissance avec diverses topologies qui permet la réduction de la taille du condensateur du bus CC. Ainsi, la majorité des topologies de découplage de puissance utilise un circuit additionnel couplé au circuit classique ou traditionnel. Dans ce contexte, nous avons proposé un circuit muni d’un autre circuit additionnel de découplage de puissance qui améliore la durée de vie du condensateur du bus CC de l’onduleur.
Impact d’une défaillance du condensateur sur l’onduleur
L’onduleur étant un élément à rôle capital et de surcroit le plus coûteux du système photovoltaïque, il doit donc avoir une longue durée de vie équivalente à celle du générateur photovoltaïque. Pour cela, les éléments constitutifs de l’onduleur doivent être fiables et robustes, surtout l’élément de découplage de puissance qui est le condensateur situé sur son bus CC. Le condensateur jouant un rôle important de découplage de puissance dans l’onduleur, cela l’expose à des défaillances très précoces. Le rôle principal du condensateur du bus CC de l’onduleur est de réduire au maximum l’ondulation à double fréquence en équilibrant la puissance entre le générateur photovoltaïque et le réseau. En outre, pour comprendre l’impact de la défaillance du condensateur sur l’onduleur, une méthode possible est d’étudier l’effet d’un circuit ouvert du condensateur du bus CC sur l’onduleur. En d’autre terme, il s’agit d’étudier le comportement de l’onduleur lorsque le condensateur du bus CC est brulé. Considérons donc un circuit typique constitué d’un générateur photovoltaïque connecté au réseau à travers un onduleur et un condensateur placé sur le bus CC de l’onduleur pour l’équilibrage de puissance. Un convertisseur boost est utilisé pour amplifier la tension fournie par le générateur photovoltaïque. L’étude consiste à comparer le comportement du système global en particulier de l’onduleur lorsque le condensateur du bus CC fonctionne normalement avec le cas où le condensateur du bus CC est en panne, il sera simplement considéré comme un circuit ouvert. Le circuit de l’étude est représenté par la figure 3.9:
A partir du circuit de la figure 3.9, il est possible d’écrire les équations des tensions et des courants comme suit : La tension Udc est continue, cependant la tension VS est alternative et elle est égale à ±Vbus en fonction des états des commutateurs de l’onduleur. De même, le courant ie est égal à ±is en fonction des états des commutateurs de l’onduleur. Supposons maintenant que le condensateur du bus CC soit en panne, c’est-à-dire qu’il est brulé. On constate que la tension VRés ne changera pas car le condensateur est monté en parallèle sur le bus CC de l’onduleur. Par contre, le courant ic s’annule d’où on a : Ces différents états peuvent être simulés sur MATLAB ce qui permettra d’observer l’impact de la défaillance du condensateur du bus CC sur le système en général et de l’onduleur en particulier. Pour la simulation, le condensateur du bus CC fonctionnement normalement jusqu’à 1s et par la suite il est mis en en circuit ouvert. Cela veut dire qu’à partir de 1s, le courant ne traverse plus le condensateur du bus CC est l’énergie issue du générateur photovoltaïque après avoir été amplifiée par le convertisseur boost est directement envoyée à l’onduleur. Le schéma de simulation sous Simulink de MATLAB est donné en ANNEXEII. La figure 3.10 donne le résultat de la simulation, ou l’on peut observer l’allure des courbes avec et sans le condensateur du bus CC. Ici on s’intéresse seulement aux courants du générateur photovoltaïque et du réseau.
A partir de ces courbes, on observe que le courant Ic du condensateur de bus CC s’annule à partir de 1s, cela veut dire que le condensateur a été effectivement mis hors service à partir de cette période. Pour les courbes Ipv et Is, elles permettent de voir que les courants du générateur photovoltaïque et de sortie de l’onduleur sont perturbés après 1s. Ils diminuent en amplitude et en plus contiennent plus d’harmonique qu’avant 1s. La diminution des courants entraine les pertes en puissances en entrée comme en sortie. Ces résultats permettent de conclure que le condensateur du bus CC équilibre les puissances d’entrée et de sortie. Il permet à l’onduleur aussi de réduire les harmoniques des courants. Bien que l’impact du condensateur ne soit pas très fort sur l’onduleur dû au fait qu’il soit monté en parallèle, il affecte l’efficacité du MPPT car la puissance fournie par le générateur photovoltaïque est réduite. Cela est dû au fait que lorsque le condensateur est en panne, le système photovoltaïque est privé d’une partie de la compensation de variation de tension.
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Table des matières
INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Contexte et motivation
1.3 Systèmes photovoltaïques
1.3.1 Le cas autonome
1.3.2 Le cas connecté au réseau
1.4 Condensateur de liaison du bus CC
1.4.1 Propriétés et paramètres d’un condensateur
1.4.2 Schéma électrique du condensateur
1.4.3 Condensateurs électrochimiques
1.4.3.1 Constitution et principe du condensateur électrolytique aluminium
1.4.3.2 Structure et connexions du condensateur électrolytique aluminium
1.4.4 Condensateurs à film
1.4.4.1 Constitution et principe du condensateur film métallisé
1.4.4.2 Constitution et principe du condensateur film à armatures
1.5 Topologies avec configuration du convertisseur DC/DC
1.5.1 Topologie à commutation douce
1.5.2 Topologie avec convertisseur DC/DC résonnant
1.5.3 Topologie avec un flyback comme convertisseur DC/DC
1.5.4 Topologie avec un convertisseur boost DC/DC à deux bobines
1.6 Découplage de puissance avec configuration de l’onduleur
1.6.1 Topologie à filtre actif parallèle
1.6.2 Topologie à onduleur monophasé type flyback avec circuit de découplage
1.6.3 Topologie à onduleur type flyback avec condensateur de découplage
1.6.4 Topologie utilisant un convertisseur à trois ports
1.8 Conclusion
CHAPITRE 2 ONDULEURS PHOTOVOLTAÏQUES ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT
2.1 Introduction
2.2 Généralités sur les systèmes photovoltaïques
2.2.1 Cellule photovoltaïque et effet photovoltaïque
2.2.1.1 Cellule photovoltaïque
2.2.1.2 Effet photovoltaïque
2.2.1.3 Caractéristiques d’une cellule photovoltaïque
2.3 Les onduleurs photovoltaïques
2.3.1 Définition et propriété
2.3.2 Principe de fonctionnement
2.3.2.1 Onduleur autonome
2.3.2.2 Onduleur assisté par le réseau
2.4 Onduleur Monophasé
2.4.1 Onduleur monophasé en demi-pont
2.4.2 Onduleur monophasé en pont (Pont H)
2.5 Onduleur triphasé
2.6 Modélisation des onduleurs photovoltaïques
2.6.1 Onduleur monophasé
2.6.2 Onduleur triphasé
2.7 Effets harmoniques
2.7.1 Taux de distorsion harmonique
2.7.2 Conséquences des perturbations harmoniques
2.8 Rendement des onduleurs photovoltaïques
2.9 Conclusion
CHAPITRE 3 CONDENSATEURS UTILISÉS SUR LE BUS CC DE L’ONDULEUR : UTILITÉ ET FACTEURS INFLUENCANT LEUR DURÉE DE VIE
3.1 Introduction
3.2 Condensateurs du bus CC
3.2.1 Condensateurs électrolytiques
3.2.1.1 Condensateurs électrolytiques à l’aluminium
3.2.1.2 Condensateurs électrolytiques au tantale
3.2.2 Condensateurs céramiques
3.2.3 Condensateurs à film plastiques métallisés
3.3 Rôle du condensateur sur le bus cc de l’onduleur
3.3.1 Utilité des condensateurs
3.3.2 Quantification de la puissance ondulée
3.3.3 Capacité nécessaire du condensateur
3.4 Notion de fiabilité et de défaillance des condensateurs
3.5 Impact d’une défaillance du condensateur sur l’onduleur
3.6 Durée de vie et fin de vie d’un condensateur
3.6.1 Durée de vie d’un condensateur
3.6.1.1 Durée de vie du condensateur en fonction de la température
3.6.1.2 Durée de vie du condensateur en fonction du courant
3.6.1.3 Durée de vie du condensateur en fonction de la tension
3.6.1.4 Relation entre la capacité et la tension d’ondulation
3.6.1.5 Relation entre la résistance équivalente série et la tension d’ondulation
3.6.2 Fin de vie d’un condensateur
3.7 Conclusion
CHAPITRE 4 OPTIMISATION DU FONCTIONNEMENT DES CONDENSATEURS DU BUS CC DE L’ONDULEUR
4.1 Introduction
4.2 Configuration du circuit proposé
4.2.1 Schéma complet du circuit proposé
4.2.2 Circuit additionnel de découplage de puissance
4.3 Principe de fonctionnement additionnel de découplage
4.3.1 Mode buck
4.3.2 Mode boost
4.4 Modèle du circuit proposé
4.4.1 Modélisation du convertisseur boost
4.4.1.1 Principe
4.4.1.2 Modèle mathématique
4.4.2 Modélisation de la puissance ondulatoire
4.4.3 Modélisation du circuit de découplage de puissance
4.5 Commande du circuit proposé
4.5.1 Commande du convertisseur boost
4.5.1.1 Commande perturbation et observation (P&O)
4.5.1.2 Algorithme de la commande perturbation et observation (P&O)
4.5.2 Commande du circuit de découplage de puissance
4.5.3 Commande de l’onduleur
4.5.3.1 Contrôle de la tension du bus CC
4.5.3.2 La synchronisation au réseau
4.5.3.3 Contrôle du courant IS du réseau
4.5.3.4 Schéma de la commande de l’onduleur
4.6 Conclusion
CHAPITRE 5 RÉSULTATS DE SIMULATION ET DISCUSSION
5.1 Introduction
5.2 Schéma électrique du système complet
5.3 Simulation du système complet
5.3.1 Simulation du système avec éclairement maximal constant
5.3.1.1 Cas connecté au réseau
5.3.1.2 Cas autonome
5.3.2 Simulation du système avec éclairement variable
5.3.2.1 Cas connecté au réseau
5.3.2.2 Cas autonome
5.4 Simulation de la performance du circuit découplage de puissance
5.5 Comparaison entre condensateur électrolytique et film sur le bus CC
5.5.1 Paramètres des condensateurs électrolytique et film du bus CC
5.5.2 Comparaison de coût du circuit classique et du circuit proposé
5.5.2.1 Circuit classique
5.5.2.2 Circuit proposé
5.6 Avantages du circuit proposé
5.7 Méthode de prolongation de la durée de vie du condensateur sur le bus CC
5.7.1 Un condensateur électrolytique de 1250μF au bus CC
5.7.2 Deux condensateurs électrolytiques de 625μF au bus CC
5.7.3 Quatre condensateurs électrolytiques de 312.5μF au bus CC
5.8 Autres méthodes de prolongation de la durée de vie du condensateur
5.9 Conclusion
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I SCHEMA DE SIMULATION DE PANNEAU SOLAIRE
ANNEXE II SCHEMA DE SIMULATION DE L’IMPACT D’UNE DÉFAILLANCE DU CONDENSATEUR DU BUS CC SUR L’ONDULEUR
ANNEXE III SCHÉME SIMULINK SOUS MATLAB DE LA VARIATION DE LA TENSION ONDULÉE EN FONCTION DE LA CAPACITÉ ET DE LA RÉSISTANCE SÉRIE ÉQUIVALENTE
ANNEXE IV SYSTÈME PHOTOVOLTAÏQUE CONNECTÉ AU RÉSEAU
ANNEXE V SYSTÈME PHOTOVOLTAÏQUE AUTONOME AVEC SYSTÈME DE STOCKAGE D’ÉNERGIE
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
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