UNIVERSITE
OSEPH OURIER
SCIENCES, TECHNOLOGIE, MEDECINEJ F
GRENOBLE 1
ENERGIES RENOUVELABLES
et
ELECTRONIQUE de PUISSANCE
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SOMMAIRE
Avertissement.....................................................................................................
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1. La Pile à Combustible
1.1. Présentation
La pile à combustible (PAC) est un générateur qui permet de convertir l’hydro...
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1.2. Caractéristique de la source
1.2.1. Caractéristique statique
Chaque cellule délivre une tension dépendante du coura...
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1.2.2. Caractéristiques dynamiques
La Figure 4 montre le schéma équivalent d’une cellule. On retrouve la fem et la résis...
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1.3. Convertisseurs non isolés pour PAC
1.3.1. Introduction
Compte tenu du caractère basse tension de la PAC, il sera gé...
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Figure 8 : Formes d'ondes du double-boost
1.3.3. Technique de l'entrelacement
L'entrelacement permet de résoudre le prob...
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branche iLk et est souvent conditionné par une limite de l’ondulation pour assurer la qualité de
l’alimentation.
Les for...
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Figure 11 : Principe de l'entrelacement
L’examen de la relation (diS/dt) et de la Figure 11 : Principe de l'entrelacem...
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Figure 12 : Ondulation en fonction du rapport cyclique et du nombre de branches
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Intérêts de l’entrelacement
Ondulation : Nous pouvons constater sur ce graphique l’intérêt de l’entrelacement : l’ondul...
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1.4. Convertisseurs isolés
1.4.1. Introduction
Les convertisseurs isolés galvaniquement présentés dans cette partie per...
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Phase n°1 : t∈[0, (α-1/2).T]
Interrupteurs conjointement
passants.
IE/2
IE/2
V
m
M1 M2
D1 D2
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Contraintes sur les composants :
Courant maximal Courant
moyen
Courant efficace Tension
maximale
MOSFETs
( )
FL
V
Im
I
...
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- Variante n°2 : Introduction de la commutation douce
Cette deuxième structure repose sur l’emploi de la quasi-résonanc...
16
Néanmoins, deux conditions sont à respecter pour assurer la commutation douce. D’une part,
l’amplitude du courant réson...
17
2. Les panneaux photovoltaïques
2.1. Présentation
Les systèmes photovoltaïques permettent la transformation directe du ...
18
Cette caractéristique présente un courant de court-circuit Icc directement proportionnel à
l’éclairement ; le point de ...
19
Ces caractéristiques imposent de mettre des protections. En effet, il est possible, par exemple sous
l'effet d'un ombra...
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permanence à la puissance maximale. Cette commande nécessite une adaptation d’impédance qui
est généralement réalisée p...
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Figure 25 : Onduleur Rangée
La topologie « onduleur rangée » permet d’améliorer le contrôle de la puissance disponible ...
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Figure 27 : Champ dit modulaire
Une meilleure efficacité, un poids, un volume et un prix plus faible pour l’ensemble so...
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Les principales caractéristiques sont rappelées ci-dessous, F étant la fréquence de découpage :
Tension de sortie :
α−
...
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Figure 30 : Onduleur de tension triphasé
2.5.2. Les structures isolées
Les structures isolées permettent d’obtenir des ...
25
Alimentations symétriques
Les structures usuelles à commutation forcée ayant un fonctionnement symétrique peuvent être
...
26
3. Les générateurs éoliens
3.1. Présentation
L’énergie éolienne joue un rôle très important parmi les énergies renouvel...
27
Les turbines à axe horizontal sont les plus courantes, en particulier les tripales qui présentent un
compromis entre le...
28
Un mât, ou tour, supporte la nacelle (1) et la turbine (16). Il est important qu’il soit haut du fait de
l’augmentation...
29
glissement peut atteindre 10%. Bien que cette légère variation de vitesse dégrade le rendement
propre de la machine, le...
30
Figure 40 : Bilan des puissances en double alimentation
Le rapport des valeurs extrêmes de la puissance rotorique sur l...
31
La chaîne de conversion habituellement rencontrée est composée d’un ensemble Redresseur –
Onduleur à IGBT (Figure 41) a...
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4. Bibliographie
Viet Dang Bang
"Conception d’une interface d’électronique de puissance pour Pile à Combustible". Thèse...
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Cours sur les énergies

  1. 1. UNIVERSITE OSEPH OURIER SCIENCES, TECHNOLOGIE, MEDECINEJ F GRENOBLE 1 ENERGIES RENOUVELABLES et ELECTRONIQUE de PUISSANCE associée Licence Professionnelle DEA
  2. 2. 1 SOMMAIRE Avertissement.............................................................................................................1 1. La Pile à Combustible............................................................................................2 1.1. Présentation.............................................................................................2 1.2. Caractéristique de la source.....................................................................3 1.3. Convertisseurs non isolés pour PAC.......................................................5 1.4. Convertisseurs isolés.............................................................................12 2. Les panneaux photovoltaïques.............................................................................17 2.1. Présentation...........................................................................................17 2.2. Caractéristiques statiques d’une cellule ................................................17 2.3. Le module PV........................................................................................18 2.4. Les architectures de champs photovoltaïques .......................................20 2.5. Les convertisseurs pour le PV...............................................................22 3. Les générateurs éoliens ........................................................................................26 3.1. Présentation...........................................................................................26 3.2. Turbines éoliennes.................................................................................26 3.3. Architectures de connexion au réseau...................................................28 4. Bibliographie........................................................................................................32 Avertissement Ce cours est consacré aux principales énergies non conventionnelles ou renouvelables. Ces sources d’énergie sont présentées succinctement en début de chaque chapitre. Les principales structures de conversion habituellement rencontrées sont ensuite présentées sans être étudiées de façon exhaustive : il sera nécessaire de se référer à la bibliographie compte tenu de l’étendue de ce domaine qui couvre une large gamme de puissance et d’applications. Enfin, ce cours nécessite d’une part des pré requis en électronique de puissance et d’autre part d’être complété par l’aspect commande de ces systèmes.
  3. 3. 2 1. La Pile à Combustible 1.1. Présentation La pile à combustible (PAC) est un générateur qui permet de convertir l’hydrogène en énergie électrique et thermique. Elle est intéressante pour son rendement élevé en cogénération (électrique et thermique) par rapport à des conversions thermiques traditionnelles (moteur, turbine) et pour son faible impact environnemental si l’on excepte la production de l’hydrogène. Trois grands domaines d’applications concernés sont les systèmes portables, les applications stationnaires et les transports. Le générateur à PAC se compose de plusieurs cellules mises en série. Chaque cellule est constituée de deux électrodes (Figure 1). L’anode sert à l’oxydation du carburant, généralement l’hydrogène. Du côté de l’électrode négative a lieu la réaction de réduction du comburant, généralement l’oxygène de l’air. Les faces des électrodes sont recouvertes par un catalyseur, souvent en platine. Les deux électrodes sont séparées par la membrane, généralement en Nafion. Le principe est celui inverse de l'électrolyse de l'eau : - A l'anode : −+ +→ eHH 222 - A la cathode : OHeHO 22 22 2 1 →++ −+ Plaque Bipolaire Joint Electrode Electrode Membrane Arrivée Sortie Celluledebase EME Plaque Bipolaire Joint Electrode Electrode Membrane Arrivée Sortie Celluledebase EME Figure 1 : Principe d'une cellule L’ensemble Electrode-Membrane-Electrode (EME) constitue le cœur de pile. La réaction chimique totale est donnée par : OHOH 222 2 1 →+ , associée à une production de chaleur.
  4. 4. 3 1.2. Caractéristique de la source 1.2.1. Caractéristique statique Chaque cellule délivre une tension dépendante du courant débité mais aussi de la pression des gaz et de la température. La Figure 2 montre une caractéristique moyenne d'une cellule. Une température et une pression élevées des gaz améliorent cette caractéristique. Figure 2 : Caractéristique statique d'une cellule Chaque cellule de PAC génère une tension d'environ 0,6V nominale à 1V à vide et une densité de courant nominale de l'ordre de 0,6 A/cm². Il est nécessaire de placer plusieurs cellules en série pour augmenter la tension (Figure 3). Un ensemble de cellules placées en série est appelé un stack. Pour des raisons mécaniques, le nombre de cellules en série dans un stack est limité à environ 100 cellules, donc cet ensemble aura une tension nominale autour de 60 V et 100 V à vide. L’augmentation de la puissance unitaire d'un stack nécessite l’augmentation de la surface des cellules, de quelques cm² à plusieurs centaines de cm². Compte tenu de ces ordres de grandeurs, ce générateur reste dans le domaine fort courant et faible tension. Figure 3 : Mise en série de cellules 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 Densité de courant, [A/cm²] Tension,[V] Caractéristique statique d'une cellule
  5. 5. 4 1.2.2. Caractéristiques dynamiques La Figure 4 montre le schéma équivalent d’une cellule. On retrouve la fem et la résistance interne non linéaires liées à la pression des gaz et à la température. Ce dipôle est associé à la capacité "double couche" liée à la membrane et à l'inductance de câblage. Bien que la cellule présente un comportement essentiellement capacitif, il n'est pas recommandé de lui imposer une ondulation de courant trop importante, sous peine d'augmenter les pertes dans la membrane. ( )iEq PTU , ( )iPTIR ,, DCC CâblageL Détendeur ( ) Compresseur ( ) 2H 2O Condenseur Évaporateur + H− e ( )xρ x Carbone Nafion ( )iEq PTU , ( )iPTIR ,, DCC CâblageL Détendeur ( ) Compresseur ( ) 2H 2O Condenseur Évaporateur + H− e ( )xρ x Carbone Nafion Figure 4 : Schéma équivalent d'une cellule Par ailleurs, lors des appels de charge de type échelon, la puissance électrique fournie par la pile est limitée par la dynamique mécanique du compresseur. Alors que l’hydrogène est souvent pré produit et stocké sous forme d’hydrogène pur, le comburant (l'oxygène) est souvent pris dans l’air ambiant par un compresseur. Cette limitation introduit une constante de temps de la PAC de l’ordre de quelques dizaines de millisecondes jusqu’à quelques secondes. Il est donc nécessaire de prévoir une source auxiliaire pour pallier ce déficit de puissance pendant les régimes transitoires, batteries ou super condensateurs (Figure 5). La Figure 6 montre un exemple de régime transitoire où la source auxiliaire vient compenser le courant que ne peut pas fournir la PAC. 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 Evolution des courants Temps, [s] Courant,[A] Is-PAC Is-auxiliaire I-demande I-fourni Figure 5 : Adjonction d'une source auxiliaire Figure 6 : Exemple de régime transitoire Charge Source auxiliaire Interface d’électronique de puissance PAC DC DC DC DC
  6. 6. 5 1.3. Convertisseurs non isolés pour PAC 1.3.1. Introduction Compte tenu du caractère basse tension de la PAC, il sera généralement nécessaire d'élever sa tension. Le convertisseur BOOST et ses dérivés sont des convertisseurs "courant – tension" bien adaptés à la PAC, et ceci pour deux raisons : - ils sont naturellement élévateurs, - le caractère inductif qu'il présente à l'entrée permet de réduire l'ondulation de courant. Néanmoins, le hacheur série peut être utilisé lorsque la tension de sortie requise est inférieure à la tension de la PAC en charge, ceci moyennant un filtre d'entrée. Dans la suite nous étudierons sur les variantes du hacheur boost (parallèle) ainsi que les techniques d'entrelacement nécessaire pour accroître les puissances. 1.3.2. Double-Boost Ce montage associe deux hacheurs boost et permet ainsi de diminuer par deux la contrainte en tension sur les semi-conducteurs (Figure 7). De plus, un point milieu capacitif est disponible en sortie. Les contraintes sont comparables au hacheur classique mais la commande décalée des interrupteurs permet le doublement de la fréquence vue de l'entrée. Du point de vue du dimensionnement de l’inductance, cette structure est identique avec une structure boost entrelacée à 2 voies car elle nécessite la même énergie stockée pour une même ondulation du courant d'entrée. Figure 7 : Structure double-boost La stratégie de commande ainsi que les tensions et les courants dans les inductances sont représentés sur la Figure 8. Nous distinguons deux cas de fonctionnement correspondant à α > 0,5 et α < 0,5. - Pour α < 0.5 : VT_moyenne = VPAC = )1(V) 2 1 (V2 2 V 2 ss s α−=α−⋅+α => α− = 1 PAC s V V ou bien s PAC V V −= 1α - Pour α > 0,5 : VT_moyenne = VPAC = )1()1( 2 2 αα −=−⋅ s s V V => α− = 1 PAC s V V ou bien s PAC V V −= 1α Dans tous les cas, la tension de sortie est déterminée par : α− = 1 PAC s V V vT
  7. 7. 6 Figure 8 : Formes d'ondes du double-boost 1.3.3. Technique de l'entrelacement L'entrelacement permet de résoudre le problème lié au fort courant des convertisseurs basse tension. Il consiste en la mise en parallèle de cellules hacheurs dont les commandes sont régulièrement décalées entre elles. Ainsi, ce principe permet, outre la réduction du courant dans chaque branche, d’augmenter la fréquence apparente en entrée et en sortie. L'analyse sera faite sur le hacheur série mais les résultats sont valables pour les autres structures entrelacées. La technique de l’entrelacement est réalisée par « q » branches L (inductance) – T (transistor) – D (diode) identiques (Figure 9 : Hacheur entrelacé à 3 branches). Les commandes des transistors de chaque branche sont décalées de T/q de façon régulière avec un même rapport cyclique pour chaque branche. Figure 9 : Hacheur entrelacé à 3 branches Le filtre de sortie se compose des inductances de même valeur L et d’un condensateur de filtrage Cs. Le courant à la sortie de ces branches iS est la somme des courants élémentaires dans chaque L T1 D1 Ve VS iSiL1 CS L T2 D2 iL2 L T3 D3 iL3 v1 Cas α < 0.5 Cas α > 0.5 T1 T1 T2 T2 TT/2αT αTT/2 T VT Vs Vs/2 Vs/2 VT iLa = iLb iLa = iLb
  8. 8. 7 branche iLk et est souvent conditionné par une limite de l’ondulation pour assurer la qualité de l’alimentation. Les formes d’ondes des courants dans les branches ainsi que le courant de sortie résultant sont montrées sur la Figure 10 : Principe de l'entrelacement. Le courant moyen total en sortie est q fois plus élevé que le courant d’une branche. La fréquence équivalente en sortie vaut Fs = q.F Expression de l’ondulation du courant de sortie Pour chaque inductance des branches, on peut exprimer : L Vv dt di S1L1 − = , L Vv dt di S2L2 − = , …, L Vv dt di SqLq − = q L V q v L q.Vv dt di dt di S q 1 h S q 1 hq 1 LhS − = − == ∑∑ ∑ 1 Figure 10 : Principe de l'entrelacement iS iL1 iL2 iL3 α.T T/q 2.T/q 3.T/q t
  9. 9. 8 1 Figure 11 : Principe de l'entrelacement L’examen de la relation (diS/dt) et de la Figure 11 : Principe de l'entrelacement montre que l’entrelacement des « q » branches équivaut à un hacheur simple avec : - une fréquence équivalente Feq = q.F - un rapport cyclique équivalent αeq = q.α modulo 1 - une tension d'entrée équivalente : Veeq = Ve/q - une inductance de filtrage équivalente Leq : L/q On peut donc en déduire l’ondulation du courant de sortie iS du hacheur équivalent : ( ) ( ) qLF α1α V .qF q L α1α q V ∆I eqeq e eqeq e S − = − = La Figure 12 : Ondulation en fonction du rapport cyclique et du nombre de branches représente l’amplitude relative de cette ondulation en fonction du rapport cyclique et pour différentes valeurs de q. 0 0.2 0.4 0.6 0.8 0 0.2 0.4 0.6 0.8 ∆is α 1,( ) ∆is α 2,( ) ∆is α 3,( ) ∆is α 4,( ) α ∑ q 1 h q v α < 1/q α.T = (α.q).T/q T/q 2.T/q 3.T/q t Ve/q 2.Ve/q 1/q < α < 2/q 3.Ve/q 2/q < α < 3/q
  10. 10. 9 Figure 12 : Ondulation en fonction du rapport cyclique et du nombre de branches
  11. 11. 10 Intérêts de l’entrelacement Ondulation : Nous pouvons constater sur ce graphique l’intérêt de l’entrelacement : l’ondulation du courant total de sortie diminue dans le rapport du nombre de branches. Par ailleurs, cette ondulation s’annule pour les valeurs entières de αq. Energie stockée dans les inductances : pour une ondulation de sortie donnée, l’inductance de chaque branche vaut : q L L S = où LS est l’inductance d’un convertisseur à une seule branche. L’énergie stockée vaut : 2 .IL W 2 S S = pour un convertisseur à une seule branche. Pour les q inductances, l’énergie totale sera de : 2 S 2 2 S 2 q q W 2.q .IL 2 q I L. qW ==       = L’énergie stockée est q² fois plus faible que pour une seule branche. Cette propriété permet de réduire le dimensionnement et d’améliorer la réponse dynamique du convertisseur. Dimensionnement L’ondulation maximale dans une branche est donnée par : .F4.L V ∆I k e Lkmax = soit .F4.∆ V L Lkmax e k = Par ailleurs : q ∆I ∆I Lkmax Smax = Le volume d’une inductance est donné par : ( ) 4 3 2 Lkmaxki .IL.kV = ki étant un facteur technologique. Le volume total des q inductances sera : ( ) 4 3 2 Lkmax Lkmax e i 4 3 2 Lkmaxkitot .I .F4.∆. V .q.k.IL.q.kV       == avec 2 ∆I q. q I 2 ∆I II SmaxSLkmax LkLkmax +=+= 4 3 2 S Smax2 3 Smax 2 Se i 4 3 2 SmaxS Smax e itot 2.I ∆I q1. .F.q4.∆. .IV .q.k 2 ∆I q. q I . .F4.q.∆. V .q.kV               +=               += En posant S Smax o I ∆I k = le facteur d’ondulation en sortie, on obtient : 45 23 o2 43 o Se itot q 2 k .q1 .F4.k .IV .kV       +       = Le gain en volume peut se quantifier en calculant le rapport entre le volume pour « q » branches et celui que l’on obtiendrait pour une seule inductance (q = 1), et ceci à même ondulation :
  12. 12. 11 23 o45 23 o2 tot(1) tot(q) o 2 k 1.q 2 k .q1 V V )ky(q,       +       + == 1 2 3 4 5 0.2 0.4 0.6 0.8 1 y q 0.1,( ) y q 0.15,( ) y q 0.2,( ) y q 0.3,( ) y q 0.4,( ) q Figure 13 : Gain en volume Le gain en volume devient significatif pour une ondulation du courant total de sortie inférieure à 30%. Par exemple, pour une ondulation de 15%, le volume total est divisé par 2 pour un nombre de branches entrelacées optimal de 3.
  13. 13. 12 1.4. Convertisseurs isolés 1.4.1. Introduction Les convertisseurs isolés galvaniquement présentés dans cette partie permettent d’assurer le contrôle de la puissance et l’adaptation des niveaux, lorsque ceux-ci diffèrent beaucoup, grâce à un transformateur. C’est généralement le cas pour les applications de générateurs autonomes de faibles puissances devant produire des tensions compatibles avec un réseau 50 Hz, monophasé ou triphasé. Dans ce cas, le transformateur permet de dissocier les contraintes en courant et tension entre les étages d’entrée et de sortie. L’utilisation de semi-conducteurs fort courant, basse tension (typiquement la technologie MOSFET) au niveau de l’étage d’entrée reste ainsi possible. Les structures présentées ci-après sont basées sur la conversion courant-tension qui présente la propriété d’être naturellement élévatrice et bien adaptée aux piles à combustibles de part l’entrée inductive. L’ajout d’un transformateur nécessitera des structures symétriques en pont ou à point milieu inductif. Cette dernière sera retenue pour sa simplicité, son facteur d’élévation et l’effet d’entrelacement obtenue sur l’entrée. 1.4.2. Structure de base La structure de conversion dérive du hacheur BOOST entrelacé. Le pont de diodes au secondaire du transformateur se comporte comme une diode de roue libre classique. On retrouve sur la Figure 14 les éléments structuraux d’un hacheur parallèle. Figure 14 : Schéma de base du commutateur de courant à point milieu inductif L’avantage de cette structure est d’assurer l’élévation de tension par le biais du rapport cyclique (gain ∝ 1/(1-α)) mais aussi grâce au transformateur couplant les deux étages (gain ∝ m). L’entrelacement des inductances d’entrée permet de réduire considérablement l’ondulation du courant d’entrée et donc les contraintes hautes fréquences sur la PAC. On notera que l’ondulation de courant au niveau de la source (∆I ∝ 2.α-1) s’annule pour α=0,5. Principe simplifié de fonctionnement Nous allons donner succinctement les éléments nécessaires à la bonne compréhension du fonctionnement ainsi que les limites du montage. Pour ce faire, les inductances seront matérialisées par des sources de courant, les condensateurs par des sources de tension. Les différentes topologies et formes d’ondes correspondantes sont recensées sur la Figure 15. R Eléments constitutifs d’un hacheur Boost VPAC IPAC L1 L2 C m VTr MOS 1
  14. 14. 13 Phase n°1 : t∈[0, (α-1/2).T] Interrupteurs conjointement passants. IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 Phase n°2 : t∈[(α-1/2).T, T/2] Interrupteur 1 passant, 2 bloqué. IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 Phase n°3 : t∈[T/2, α T] Interrupteurs conjointement passants. IE/2 IE/2 VS m M1 M2 D1 D2 D3 D4 IE/2 IE/2 VS m M1 M2 D1 D2 D3 D4 Phase n°4 : t∈[α T, T] Interrupteur 2 passant, 1 bloqué. IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 IE/2 IE/2 V m M1 M2 D1 D2 D3 D4 Figure 15 : Description des topologies de conversion sur une période de découpage Les formes d’ondes relatives à un MOSFET, aux courants d’entrée (inductance et PAC) et la tension au primaire du transformateur sont représentées Figure 16. Le montage tel qu’il est présenté n’assure pas de fonctionnement pour α ≤ 1/2. En effet, dans les phases où t∈[ α.T-T/2, T/2] ainsi que t∈[ α.T, T], la topologie du circuit impose que les inductances d’entrée soient mises en série ce qui est contraire aux lois d’association des sources. L’empiètement des interrupteurs est donc indispensable pour éviter ce problème. Figure 16 : Formes d’ondes typiques pour α > 0,5 Principales caractéristiques et contraintes sur les composants L’expression de la tension de sortie en conduction continue peut s’évaluer à l’aide de la tension aux bornes d’un transistor : ( ) PAC S Tmoyen V m V V =α−= 1 soit : α− = 1 . PAC S Vm V Le courant d’entrée bénéficie de l’effet d’entrelacement et son ondulation est réduite par rapport à celle de chaque inductance ; elle s’annulera pour α = 0,5. α− = 1 . S PAC Im I avec ( ) FL V I PAC PAC . 12 1 −α=∆ T/2 α.T T VTr Vs/m -Vs/m IPAC IL1 VMOS1 IMOS1
  15. 15. 14 Contraintes sur les composants : Courant maximal Courant moyen Courant efficace Tension maximale MOSFETs ( ) FL V Im I PAC S T ..2 12 1 . 1 max −α + α− = ( )α− = 1.2 . S Tav Im I ( ) α− α− = .23 1.2 . S Trms Im I m V V S T =max Diodes de sortie ( ) FLm V I I PAC S D ...2 1 1 1 max α− + α− = 2 S Dav I I = α− = 1.2 . S Drms Im I SD VV =max A faible charge, le phénomène de conduction discontinue apparaît classiquement et s’apparente à celui obtenu avec le hacheur boost mono-interrupteur. La tension de sortie dépend alors du courant et augmente à faible charge, phénomène amplifié par l’augmentation conjointe de VPAC. Cette tension s’exprime, en coordonnées réduites, par : 2.x 1y 2α += avec PAC sf V ILm x .. = et PAC S Vm V y ⋅ = x et y représentant les grandeurs réduites respectivement du courant et de la tension de sortie. La présence inévitable de l’inductance de fuites du transformateur imposera : - en commutation forcée, l’introduction d’un circuit écrêteur pour limiter la surtension aux bornes des mosfet. Deux alternatives sont proposées ci-après (variante n°1), l’une dissipative, l’autre à récupération d’énergie. - de passer en commutation naturelle à l'aide d'un circuit résonant pour assurer la commutation spontanée au blocage (variante n°2). - Variante n°1 : circuit écrêteur Le schéma présenté Figure 17-A introduit un réseau RCD commun aux deux transistors introduits. Cette solution est éprouvée et de mise en œuvre simple (circuit passif). Le principal défaut du réseau RCD est d’entraver le rendement de l’ensemble car la résistance dissipe effectivement l’énergie stockée dans l’inductance de fuite. VPAC IPAC L1 L2 Lf CE RE C R m VPAC VPAC IPAC L1 L2 Lf CE RE C R m VPAC VPAC IPAC L1 L2 Lf CE C R m LE VPAC IPAC L1 L2 Lf CE C R m LE A – RCD dissipatif B – circuit récupératif Figure 17 : Introduction d'un réseau écrêteur Le schéma Figure 17-B comporte un hacheur série à la place du réseau RCD. La tension de la capacité d’entrée CE sera alors contrôlée par le rapport cyclique du hacheur de récupération. L’avantage de cette structure est de n’introduire que les pertes propres au fonctionnement du hacheur (rendement quasi unitaire), au détriment d’une légère augmentation du volume de l’ensemble. D’un point de vue fonctionnel, la récupération d’énergie autorise le fonctionnement pour des rapports cycliques inférieurs à 0,5.
  16. 16. 15 - Variante n°2 : Introduction de la commutation douce Cette deuxième structure repose sur l’emploi de la quasi-résonance afin de rendre spontanée la commutation au blocage, commutation qui générait des surtensions. Cette résonance est réalisée avec l’ajout d’une inductance et d’un condensateur (Figure 18) ; ce dernier peut être placé au secondaire pour bénéficier de l’inductance de fuites du transformateur. De plus, le rapport élévateur du transformateur permettra de réduire la valeur et les contraintes sur ce condensateur. La commutation douce à zéro de courant (ZCS) est donc obtenue simplement et la commande du convertisseur sera basée sur la variation de la fréquence de commande par rapport à la fréquence de résonance. Li L C CV Si moyenSI LV CiVPAC D1 D2 D3 D4 Vs eI 2 eI 2 eI m Fonction thyristor 1 2 Li L C CV Si moyenSI LV CiVPAC D1 D2 D3 D4 Vs eI 2 eI 2 eI m Fonction thyristor 1 2 Figure 18 : Introduction d’un circuit résonance Les phases de résonance introduites à chaque demi période permettent la commutation à courant nul dans les MOSFET, sans introduire de contraintes supplémentaires notables sur les semi- conducteurs. Les formes d’ondes liées au circuit résonant sont représentées Figure 19. 1t 2t 3t t 2 T )(tVC )(tVC )(tiL )(tiL m VS 2 eI − 2 eI m VS − 1t 2t 3t t 2 T )(tVC )(tVC )(tiL )(tiL m VS 2 eI − 2 eI m VS − Figure 19 : Formes d’ondes sur les composants de résonance La phase de résonance correspond à la phase d’empiètement du montage à commutation dure. On démontre ainsi aisément que la tension de sortie présente la même forme où le rapport cyclique est remplacé par : R PAC S F F 1 2.m.V V − =
  17. 17. 16 Néanmoins, deux conditions sont à respecter pour assurer la commutation douce. D’une part, l’amplitude du courant résonant doit être supérieure au courant de l’une des deux inductances d’entrée et, d’autre part, la fréquence de fonctionnement est limitée par valeur supérieure pour pouvoir assurer le déroulement normal du cycle de résonance, soit : 2 I C L m V ES > et RFF < Ce type de convertisseur, avec l’ajout d’un seul condensateur, permet de s’affranchir des conséquences des fuites du transformateur tout en réduisant les pertes par commutation. Néanmoins, il apparaît un phénomène parasite que l’on retrouve habituellement dans le mode ZCS, à savoir la résonance parasite entre l’inductance de fuite du transformateur et les capacités parasites des mosfet.
  18. 18. 17 2. Les panneaux photovoltaïques 2.1. Présentation Les systèmes photovoltaïques permettent la transformation directe du rayonnement solaire en électricité, ce qui autorise une souplesse d’emploi, en particulier pour les sites isolés. Le rayonnement solaire produit de 900 à 2300 kW-h/m²/an selon les régions, soit une puissance moyenne de 100 à 260 W/m² avec une puissance crête de l’ordre de 1 kW/m². Selon les technologies employées, il est possible de récupérer entre 8 et 25% sous forme d’électricité. L’effet photovoltaïque permet cette conversion directe grâce aux propriétés des semi-conducteurs. Au sein d’une jonction semi-conductrice, une partie de l’énergie transportée par les photons est transformée en courant. Le matériau le plus utilisé est le silicium (Si). L’Arséniure de Gallium (GaAs) présente un rendement théorique meilleur (23%) et l’association de plusieurs matériaux permet d’améliorer ce rendement en élargissant le spectre capté. Le spatial demeure le domaine privilégié d’application du photovoltaïque de part l’important flux lumineux et l’absence d’ombrage. Sur terre, le créneau privilégié est la production d’électricité en site isolé, moyennant un organe de stockage. La production « au fil du soleil » avec couplage au réseau électrique est un domaine en développement pour l’habitat résidentiel ou pour de petites centrales. 2.2. Caractéristiques statiques d’une cellule La caractéristique statique de la jonction PN voit son courant inverse augmenter selon l’éclairement (Figure 20-a). Il y a donc production d’énergie électrique dans le quadrant IV que l’on peut représenter en convention générateur, Figure 20-b. a – convention récepteur b – convention générateur Figure 20 : Caractéristiques d’une cellule
  19. 19. 18 Cette caractéristique présente un courant de court-circuit Icc directement proportionnel à l’éclairement ; le point de puissance maximale (tangent aux hyperboles d’isopuissance) apparaît pour une tension légèrement inférieure à celle obtenue à vide (Vco). La tension à vide Vco varie peu avec l’éclairement, elle peut être considérée comme une constante pour une installation donnée. Lorsque la température croît, Icc croît et Vco décroît, entraînant une baisse de la puissance produite. 2.3. Le module PV Un module PV est le plus petit ensemble de cellules solaires interconnectées, complètement protégé contre l’environnement. Il est composé de cellules interconnectées (généralement en série) et des protections (une diode by-pass en anti-parallèle toutes les 18 cellules PV connectées en série). La conception d’un module PV repose encore aujourd’hui sur des raisons historiques. A l’origine l’énergie solaire était réservée aux applications en sites isolés. La tension de fonctionnement de ces installations était imposée par la tension des batteries. Ces systèmes fonctionnant sur des batteries au plomb, leurs tensions étaient de 12 ou 24V. Les modules étant conçus pour pouvoir fonctionner sur ces systèmes, ils ne sont en réalité qu’une mise en série de cellules pour obtenir la tension désirée, 36 cellules pour 12V et 72 cellules pour 24V. 2.3.1. Mise en parallèle/série Dans un groupement en série, les cellules sont traversées par le même courant et la caractéristique résultante du groupement en série est obtenue par addition des tensions à courant donné (Figure 21). Figure 21 : Caractéristique résultante d’un groupement en série de ns cellules identiques Les propriétés du groupement en parallèle des cellules sont duales de celles du groupement en série. Ainsi, dans un groupement de cellules connectées en parallèle, les cellules sont soumises à la même tension et la caractéristique résultante du groupement est obtenue par addition des courants à tension donnée. Figure 22 : Caractéristique résultante d’un groupement constitué de np cellules identiques en parallèle
  20. 20. 19 Ces caractéristiques imposent de mettre des protections. En effet, il est possible, par exemple sous l'effet d'un ombrage ou de la chaleur, que toutes les cellules placées en série ou en parallèle n'aient pas la même caractéristique, créant ainsi des déséquilibres. Lors d’un assemblage de cellules PV en série il est nécessaire de mettre une diode de by-pass pour empêcher le fonctionnement en zone III (Figure 20-a) et ainsi empêcher la destruction de la cellule. Pour empêcher cette destruction, la tension inverse vue par la cellule ne doit pas dépasser -Vbo (environ 12V). Pour que cette condition soit vérifiée, une diode by-pass doit être mise en parallèle au maximum toutes les 20 cellules. Lors d’un assemblage de cellule PV en parallèle, un deuxième phénomène néfaste à la production photovoltaïque intervient lorsque la tension de cellule dépasse sa tension de circuit ouvert. Dans ce cas, la cellule va fonctionner dans la zone I (Figure 20-a), et va absorber du courant afin de compenser cette augmentation de tension. L’utilisation d’une diode contre-courant (aussi appelée diode série) ou d’un fusible dans une chaîne de cellules permet d’éviter leur dégradation. 2.3.2. Influence de l’ombrage Ces protections sont utiles lorsque les cellules ne sont pas toutes dans les mêmes conditions de fonctionnement. La principale raison qui peut déplacer le point de fonctionnement d’une cellule PV est la présence d’ombrage. Cette répartition non uniforme de l’irradiation solaire aura des conséquences importantes sur l’énergie produite. Dans un groupement de cellules PV en série le courant circulant dans chaque cellule PV doit être identique. Ce courant étant très dépendant de l’éclairement, il en résulte une déformation de la caractéristique I-V du groupement de cellules. Cette déformation a deux effets. Le premier effet est la perte d’une partie de énergie ; la cellule la plus faible impose son point de fonctionnement. De plus cette déformation peut empêcher la recherche du point de fonctionnement maximisant la puissance produite (MPPT) de fonctionner correctement en restant bloqué sur un maximum local et non sur le point de puissance maximum. V 1 V 2 V 1 + V 2 I Cellule ensoleillée V I V1+V2 V1 V2 V I I1+I2 I1 I2 I1 V I2 I1 +I 2 Cellule ombrée Cellule ensoleillée V 1 V 2 V 1 + V 2 I Cellule ombrée V I V1+V2 V1 V2 V I V1+V2 V1 V2 V I I1+I2 I1 I2 V I I1+I2 I1 I2 I1 V I2 I1 +I 2 Cellules en série Cellules en parallèle V 1 V 2 V 1 + V 2 I Cellule ensoleillée V I V1+V2 V1 V2 V I V1+V2 V1 V2 V I I1+I2 I1 I2 V I I1+I2 I1 I2 I1 V I2 I1 +I 2 Cellule ombrée Cellule ensoleillée V 1 V 2 V 1 + V 2 I Cellule ombrée V I V1+V2 V1 V2 V I V1+V2 V1 V2 V I I1+I2 I1 I2 V I I1+I2 I1 I2 I1 V I2 I1 +I 2 Cellules en série Cellules en parallèle Figure 23 : Influence de l’ombrage sur la caractéristique I-V de groupement de cellules série ou parallèle En revanche dans un groupement parallèle, c’est la tension aux bornes des cellules qui doit être identique. La tension variant très peu en fonction de l’irradiation solaire, la mise en parallèle de cellules PV éclairées différemment n’a que peu d’impact sur la tension de fonctionnement. Le courant du groupement en parallèle de cellules PV sera la somme des courants de chaque cellule. L’ombrage est donc moins critique dans le cas d’une mise en parallèle que lors d’une mise en série. 2.3.3. Recherche du point de puissance maximale Le panneau photovoltaïque (ou un ensemble de panneaux) est généralement associé à une commande spécifique MPPT (Maximum Power Point Tracking) qui permet de se placer en
  21. 21. 20 permanence à la puissance maximale. Cette commande nécessite une adaptation d’impédance qui est généralement réalisée par le convertisseur DC-DC ou DC-AC placé entre le panneau et la charge. 2.4. Les architectures de champs photovoltaïques Une installation photovoltaïque est constituée d’un ensemble de modules PV associé à un ou plusieurs convertisseurs. Une grande diversité d’architectures de champs existe, nous présenterons uniquement les plus utilisées raccordées au réseau. 2.4.1. L’onduleur Central L’architecture la plus classique est composée d’un seul onduleur réalisant l’interface entre le réseau et le champ photovoltaïque, où des chaînes de modules (ou "string") sont connectées en parallèle. Ce montage est généralement utilisé pour des installations de grandes puissances (20-400 kW) dans lesquelles des protections anti-retour de courant sont implantées par string. Figure 24 : Onduleur Central L’avantage de la topologie « onduleur central » est sa simplicité de mise en place : un seul onduleur connecté au champ photovoltaïque est nécessaire. De plus, l’onduleur central demande un faible coût d’investissement tout en permettant une maintenance simple. La simplicité du montage permet également un meilleur rendement de la conversion de la tension. En effet, la mise en série de plusieurs modules permet d’obtenir un rapport de conversion faible, ce qui augmente le rendement du convertisseur. Par contre, ce montage présente plusieurs défauts : - pertes de conversion solaire car un seul MPPT pour un ensemble de modules, - pertes et risques électriques dans le câblage DC, - aucune évolutivité, - aucune continuité de service en cas de panne de l’onduleur. 2.4.2. L’onduleur rangée L’architecture la plus employée actuellement est celle de l’onduleur rangée, qui consiste à implanter un onduleur au bout de chaque chaîne. Les onduleurs sont ensuite connectés en parallèle au réseau électrique, ce qui nécessite une coordination entre les onduleurs (du type maître – esclave) lors d’îlotage.
  22. 22. 21 Figure 25 : Onduleur Rangée La topologie « onduleur rangée » permet d’améliorer le contrôle de la puissance disponible par string grâce au MPPT de chaque onduleur. De plus, la continuité de service est accrue car la panne d’un convertisseur n’entraîne pas l’arrêt total de l’installation. Enfin, cette architecture est évolutive puisque chaque string constitue un sous-ensemble indépendant. Dans le cas d’augmentation de puissance de l’installation, seul le bus AC est à remplacer. Cependant, il subsiste des pertes par couplage série des modules au sein d’un même string. Le rendement des onduleurs reste variable en fonction de la puissance fournie par la chaîne photovoltaïque (mauvais rendement de l’onduleur à faible puissance des modules). 2.4.3. Le hacheur rangée Le hacheur "rangée", aussi appelé convertisseur multi-string, utilise un hacheur en bout de chaque string du système PV. L’interfaçage avec le réseau est réalisée grâce à un seul onduleur, facilitant la participation aux services systèmes de l’installation PV. Figure 26 : Hacheur « Rangée » Le bus continu à l’avantage de pouvoir intégrer facilement un élément de stockage. Le MPPT se fait pour chaque string, ce qui limite l’influence des modules entre eux. De plus, l’utilisation d’un seul onduleur comme interface avec le réseau permet de réduire l’interaction entre le réseau et l’installation PV. 2.4.4. Champ modulaire Le champ dit « modulaire » associe un convertisseur par module, ce qui permet de rendre ces derniers plus indépendants et donc de limiter les pertes de rendement lors de phénomènes d’ombrage. Le convertisseur le plus adapté à la mise en cascade est le convertisseur boost.
  23. 23. 22 Figure 27 : Champ dit modulaire Une meilleure efficacité, un poids, un volume et un prix plus faible pour l’ensemble sont possibles dans le cas où l’isolation galvanique est supprimée. Ces structures sans transformateur offrent tous les avantages mentionnés ci-dessus mais quelques problèmes de sécurité sont causés par les capacités parasites entre les panneaux PV et la terre notamment. 2.5. Les convertisseurs pour le PV Les structures d’électronique de puissance dédiées au photovoltaïque sont nombreuses compte tenu de la diversité des agencements possibles. Néanmoins, on peut les classer selon les architectures retenues : - la conversion mono-étage (DC-AC) ou bien en deux étages (DC-DC élévateur suivi d’un onduleur, - la présence ou non d’une isolation galvanique entre les modules et le réseau. Cette isolation peut se faire à haute fréquence ou à la fréquence du réseau. Les principaux problèmes auxquels l’électronique de puissance doit faire face sont : la puissance fluctuante côté continu, la maximisation du productible en cas d’ensoleillement non homogène (problème d’ombrage par exemple), la fiabilité (utilisation de condensateurs électrolytiques ayant de piètres performances de vieillissement, en particulier lorsqu’ils sont contraints thermiquement) et le rendement. 2.5.1. Les structures non isolées Les structures non isolées concernent d’une part la conversion DC-DC (hacheur) et la conversion DC-AC (onduleur pour le couplage au réseau). Dans le premier cas, le convertisseur DC-DC peut être associé à un module ou à un ensemble de modules mis en série. En général, il devra élever la tension et la structure la plus répandue sera le hacheur boost (Figure 28). Ce hacheur aura également pour rôle d’assurer le MPPT. Figure 28 : Hacheur BOOST L T D VE VS IS IE
  24. 24. 23 Les principales caractéristiques sont rappelées ci-dessous, F étant la fréquence de découpage : Tension de sortie : α− = 1 V V E S Courant d’entrée : α− = 1 I I S E avec F.L V .I E E α=∆ La principale limite concerne le facteur d’élévation de la tension d’entrée. Ce rapport est essentiellement limité par les pertes ; en modélisant celles-ci par une résistance RE placée en entrée, la tension de sortie voit sa valeur limitée et atteindre un maximum : ( ) ( )       + α− α− = 1 1R R 1 V V 2 S E E S E SE maxS R R 2 V V = RS étant la résistance de charge Le rendement du convertisseur vaut 50% pour ce maximum. Ainsi, pour bénéficier d’un rendement correct, il sera donc nécessaire de limiter le gain en tension nominal à des valeurs raisonnables (inférieures à 8 en pratique). Par ailleurs, compte tenu du caractère direct de la structure, les semi-conducteurs supporteront les contraintes les plus importantes (le courant d’entrée et la tension de sortie). Le hacheur double-boost décrit au paragraphe 1-3-2 permet de pallier en partie ces limitations. La conversion DC-AC permet de générer un réseau alternatif ou bien d’assurer la connexion à un réseau existant. L’onduleur en pont monophasé (Figure 29) (ou triphasé pour des puissances supérieures à 10 kW (Figure 30)) est classiquement utilisé, soit en cascade après la conversion DC- DC, soit directement en sortie des modules photovoltaïques. Figure 29 : Onduleur de tension monophasé Quel que soit le type de commande utilisé, en ondes pleines ou en Modulation de Largeur d’Impulsions (MLI scalaire ou vectorielle), la tension composée maximale que peut générer cet onduleur est bornée par la tension Ve. Ces limites sont rappelées dans le tableau ci-dessous. Type de commande Onduleur monophasé : tension efficace du fondamental (VS1eff) Onduleur triphasé : tension composée efficace du fondamental (US1eff) Pleine onde es1eff V 2.π 4 V = es1eff V π 6 U = M.L.I. (r = profondeur de modulation) 2 V .rV e s1eff = es1eff V 4 6 .rU = (MLI scalaire) 2 V .rU e s1eff = (MLI vectorielle) Tension efficace du terme fondamental en sortie d'un onduleur monophasé ou triphasé Ve T2 T1 T3 T4 VS
  25. 25. 24 Figure 30 : Onduleur de tension triphasé 2.5.2. Les structures isolées Les structures isolées permettent d’obtenir des rapports d’élévation plus importants que ceux obtenus avec les structures non isolées. On les retrouvera donc généralement dans les chaînes de conversion nécessitant une forte élévation. De plus l’isolation galvanique permet de résoudre certains problèmes de sécurité (capacité parasite terre/module). De façon générale, l’isolation galvanique se situe au sein de l’étage de conversion DC-DC sous la forme d’un transformateur haute fréquence (> 1 kHz). Plus rarement, on la trouve sur la sortie alternative sous la forme d’un transformateur basse fréquence (fréquence du réseau : 50-60 Hz). Deux types de convertisseurs sont fréquemment rencontrés : les alimentations de type Flyback en faible puissance et les alimentations en pont, à commutation dure ou bien à résonance. Un exemple de chaque structure est rappelé ci-après. Alimentation à découpage type flyback La Figure 31 montre le schéma de principe d’un Flyback auquel a été rajouté deux interrupteurs bidirectionnels en sortie pour assurer la sortie alternative et donc la connexion au réseau. Ce type de structure « mono-étage » impose une puissance fluctuante à 100 Hz importante en entrée qu’il est nécessaire de filtrer à l’aide de condensateurs de fortes valeurs, ce qui nécessite l’utilisation de la technologie électrolytique. Outre sa capacité à obtenir de fortes valeurs, ce type de technologie a pour inconvénient une faible durée de vie. Figure 31 : Flyback à sortie alternative Ve T'1 T1 T'2 T2 T'3 T3 S1 S2 S3 US
  26. 26. 25 Alimentations symétriques Les structures usuelles à commutation forcée ayant un fonctionnement symétrique peuvent être employées pour des puissances importantes avec les montages en pont complet, à point milieu ou push-pull ( exemple de la Figure 32). Figure 32 : Conversion DC-DC (Push-Pull) + Onduleur Les convertisseurs à résonance présentent l’intérêt de réduire les pertes par commutation et donc d’autoriser la montée en fréquence. Les poids et volume peuvent être abaissés tout en garantissant un bon rendement. La Figure 33 montre un exemple de convertisseur à résonance série à point milieu capacitif en entrée où l’inductance de fuites du transformateur est employée comme inductance de résonance. Dans ce montage, l’ajout des diodes DAC1 et DAC2 permet d’éviter le fonctionnement en redresseur de l’onduleur et limite donc l’appel de courant lors de la connexion au réseau. Figure 33 : Convertisseur à résonance série + Onduleur
  27. 27. 26 3. Les générateurs éoliens 3.1. Présentation L’énergie éolienne joue un rôle très important parmi les énergies renouvelables. Les ressources du vent sont immenses, en particulier en mer (offshore) et cette source d’énergie connaît le développement le plus important parmi les sources de productions d’électricité. La Figure 34 montre les taux de croissance des puissances installées dans le monde et en France. Monde, puissance en GW France Figure 34 : Croissance de la puissance éolienne dans le monde Cette source d’énergie présente l’intérêt d’être vraiment renouvelable avec des coûts de production de plus en plus compétitifs. Le problème essentiel est lié à l’intermittence du vent et à l’insertion des systèmes éoliens sur le réseau, en particulier à cause de l’importance des puissances installées. 3.2. Turbines éoliennes 3.2.1. Puissance récupérable du vent La puissance instantanée Pe récupérable à travers une surface d’air S perpendiculaire à la direction du vent s’exprime par : 3 e ρSV 2 1 P = avec V la vitesse du vent et ρ la masse volumique de l’air (1,225 kg/m3 ). L’éolienne ne pourra pas récupérer la totalité de cette puissance puisque la vitesse du vent n’est pas nulle en aval de la turbine. En tenant compte de ce phénomène, la puissance théorique récupérable (Pr) admet un maximum pour une vitesse de sortie (V2) égale au 1/3 de la vitesse du vent en amont (V1) : 3 1max-r ρSV 27 8 P = (formule de Betz) On définit le coefficient de puissance Cp = Pr/Pe. L’efficacité maximale théorique Cp-max vaudra 16/27 = 59,3 %. L’efficacité réelle restera inférieure à cette limite (environ 45% au maximum). 3.2.2. Types de turbines On distingue deux grandes familles de turbines pour convertir l’énergie du vent en énergie mécanique : - les turbines à axe horizontal, bipales, tripales ou multipales, - les turbines à axe vertical, de types Darrieus ou Savonius.
  28. 28. 27 Les turbines à axe horizontal sont les plus courantes, en particulier les tripales qui présentent un compromis entre le domaine des vents exploitables et un couple de démarrage suffisant. Afin d’assurer un captage optimal de l’énergie du vent, il est nécessaire d’ajuster en permanence la vitesse de l’éolienne à la vitesse du vent ainsi que l’angle d’incidence des pales. La Figure 35 montre les différentes zones en fonction de la vitesse du vent : - zone 1 : la vitesse est insuffisante, l’éolienne est à l’arrêt, - zone 2 : zone utile où il est possible d’optimiser le transfert d’énergie, - zone 3 : la puissance est limitée par l’éolienne, - zone 4 : la vitesse du vent est trop grande, l’éolienne est arrêtée. Figure 35 : Courbe de puissance en fonction de la vitesse La régulation de la vitesse de l’éolienne par rapport à celle du vent s’effectue selon deux principes : - le système pitch à pas variable qui utilise la variation de l’angle d’incidence des pales. Cet angle permet le contrôle de la puissance (démarrage à Vd plus faible, optimisation la conversion de l’énergie, limitation de la puissance, « mise en drapeau » de l’éolienne. - Le système stall où à décrochage aérodynamique. Il s’agit d’un système passif plus simple qui diminue automatiquement l’angle de calage des pales lorsque la vitesse du vent augmente. 3.2.3. Constitution d’une éolienne La Figure 36 représente la constitution typique d’une éolienne : Figure 36 : exemple de système éolien (GENERAL ELECTRIC) Puissance V (m/s) Vd Vn Vmax Pn 1 2 3 4
  29. 29. 28 Un mât, ou tour, supporte la nacelle (1) et la turbine (16). Il est important qu’il soit haut du fait de l’augmentation de la vitesse du vent avec la hauteur. Il est tubulaire et accueille une échelle voire un ascenseur. La nacelle (1) partiellement insonorisée (6), (9), avec une armature métallique (5), accueille la génératrice (3) et son système de refroidissement (2), le multiplicateur de vitesse (8) et différents équipements électroniques de contrôle (4) qui permettent de commander les différents mécanismes d’orientation ainsi que le fonctionnement global de l’éolienne. Le multiplicateur de vitesse comporte un arbre lent (12) supportant la turbine (16) et un arbre à grande vitesse (1000 à 2000 tr/min). Il est équipé d’un frein mécanique à disque (7), auquel est accouplé le générateur (3). Le multiplicateur de vitesse est pourvu d’un système de refroidissement (13) pour l’huile. La turbine (16) possède trois pales (15) qui permettent de capter l’énergie du vent et de la transférer à l’arbre lent. Un système électromécanique (14) permet généralement d’orienter les pales et ainsi de contrôler le couple de la turbine et de réguler sa vitesse de rotation. Les pales fournissent également un frein aérodynamique par « mise en drapeau » ou seulement par rotation de leurs extrémités. Un mécanisme utilisant des servomoteurs électriques (10), (11) permet d’orienter la nacelle face au vent. Un anémomètre et une girouette situés sur le toit de la nacelle fournissent les données nécessaires au système de contrôle pour orienter l’éolienne et la déclencher ou l’arrêter selon la vitesse du vent. 3.3. Architectures de connexion au réseau Les deux principaux générateurs accouplés à la turbine sont les machines asynchrone et synchrone. Les machines asynchrones le sont généralement à travers un multiplicateur de vitesse alors que les machines synchrones à grand nombre de pôles autorisent un entraînement direct. 3.3.1. Systèmes à vitesse fixe Ces systèmes mettent en jeu des générateurs asynchrones à cage couplés au réseau et fonctionnant en hypersynchronisme avec un glissement g négatif (Figure 37). La vitesse est pratiquement constante puisque le glissement nominal d’une génératrice asynchrone de 1,5MW est de l’ordre de 1%. Pour des raisons d’encombrement et de prix de revient, la machine, standard, est le plus souvent dimensionnée pour une vitesse nominale de 1500 tours/min ce qui impose la présence d’un multiplicateur de vitesse avec un rapport élevé de 30 à 100 environ suivant les puissances. Figure 37 : couplage direct au réseau d’une MAS à cage Ce principe est généralement associé à un calage de type stall. Afin d’améliorer l’efficacité énergétique, la génératrice est souvent à deux vitesses (4 et 6 pôles). Ce système est simple et robuste mais il ne permet pas l’optimisation de la puissance transmise. Le couplage au réseau s’effectue à travers un gradateur pour limiter l’appel de courant, ce gradateur étant ensuite court-circuité. Une batterie de condensateurs permet la compensation de l’énergie réactive consommée par la machine. Afin de limiter le stress mécanique lié au couplage au réseau et effets de rafales et de masquage du mât, la machine asynchrone peut être à rotor bobiné et associée à un contrôle de la résistance rotor via un redresseur (Figure 38). Le variateur permet de filtrer les contraintes mécaniques, le
  30. 30. 29 glissement peut atteindre 10%. Bien que cette légère variation de vitesse dégrade le rendement propre de la machine, le rendement global turbine-générateur est amélioré. Figure 38 : MAS à bagues et contrôle du glissement 3.3.2. Systèmes à vitesse variable Les systèmes à vitesse variable permettent le contrôle de la puissance et améliorent ainsi le gain de production d’énergie entre 10 et 25%. De plus, ils diminuent le stress mécanique et limitent les ondulations de puissance dues aux turbulences et aux effets d’ombrage. Ces systèmes sont généralement couplés à un calage des pales de type pitch. Machine asynchrone à double alimentation (MASDA) Le système à double alimentation permet une plus large variation de vitesse tout en récupérant l’énergie électrique au rotor. L’énergie rotorique est renvoyée sur le réseau via un étage intermédiaire continu compte tenu du changement de fréquence (Figure 39). Figure 39 : MAS à bagues et variation de vitesse par le rotor La puissance de dimensionnement de l’électronique de puissance est celle du rotor, soit : mécarot P g1 g P − = avec s 1g Ω Ω −= Pour le fonctionnement en générateur (Pméca < 0), deux cas peuvent se présenter : - le fonctionnement en hyposynchronisme, Ω < ΩS, soit g > 0, - le fonctionnement en hypersynchronisme : Ω < ΩS, soit g < 0. Pour ces deux cas, le sens de transfert réel des puissances est montré sur la Figure 40 pour 5,0g ±= . Il ressort de ces bilans que le mode d’hypersynchronisme conduit à un dimensionnement plus faible du convertisseur statique placé au rotor. Le passage en hyposynchronisme impose une puissance statorique importante (2.Pméca dans notre exemple) mais la vitesse étant faible, Pméca le sera d’autant plus dans un système éolien.
  31. 31. 30 Figure 40 : Bilan des puissances en double alimentation Le rapport des valeurs extrêmes de la puissance rotorique sur la gamme de vitesse peut s’exprimer par : maxméca minméca min max max min maxrot minrot P P g1 g1 g g )(P )(P − − − − = Ω Ω En considérant maxmin gg = , ce rapport s’exprime en fonction du rapport des vitesses extrêmes : maxméca minméca min max maxrot minrot P P )(P )(P − − Ω Ω = Ω Ω Nous pouvons en conclure que dans le cas d’une éolienne, où la puissance augmente avec le cube de la vitesse, la puissance de dimensionnement la plus importante sera obtenue pour la vitesse la plus grande. Ce système à double alimentation présente de l’intérêt grâce au dimensionnement réduit de l’électronique de puissance et se développe pour des puissances de 600 kW à 2 MW. Par ailleurs, il y a la possibilité de régler la puissance réactive ou de faire du filtrage actif avec l’onduleur. Figure 41 : Redresseur- Onduleur placé au rotor MAS Pméca Pméca Pméca CS 2.Pméca g = 0,5 Pméca Pméca 1/3.Pméca CS 2/3.Pméca g = – 0,5 Hyposynchronisme Hypersynchronisme
  32. 32. 31 La chaîne de conversion habituellement rencontrée est composée d’un ensemble Redresseur – Onduleur à IGBT (Figure 41) avec un intermédiaire continu. Cet ensemble doit être réversible pour assurer les deux sens de transfert de l’énergie selon le signe du glissement. Le dimensionnement en tension est lié au glissement maximal alors que les contraintes en courant sont obtenues pour la vitesse maximale en hypersynchronisme (couple maximal). La commande du redresseur côté rotor permet le contrôle du couple du générateur afin d’obtenir la vitesse de rotation souhaitée. La commande de l’onduleur côté réseau permet le contrôle du niveau de la tension du bus continu à une valeur garantissant un fonctionnement correct de l’onduleur. Générateurs synchrones On ne rencontre pas dans les systèmes éoliens des générateurs synchrones à grand nombre de pôles directement couplés au réseau, en particulier à cause de la turbulence du vent qui entraînerait des oscillations du rotor difficile à amortir. Les systèmes exploitent donc l’électronique de puissance pour le transfert de l’énergie avec un système mécanique à entraînement direct ou avec un multiplicateur à un seul étage. A faible puissance (< 10 kW), on trouvera des systèmes à entraînement direct associés à des machines synchrones à aimants. L’électronique de puissance peut être simplifiée à un pont de diodes (Figure 42-A). Celui-ci fonctionne en redresseur de courant et permet d’obtenir des courants quasi-sinusoïdaux à puissance nominale. Ce système peut être amélioré avec un hacheur et une commande MPPT (Figure 42-B) permettant le contrôle de la puissance. Figure 42 : Chaîne de conversion pour générateur synchrone A forte puissance (jusqu’à 4,5 MW), on retrouve des machines à rotor bobiné et à grand nombre de pôles. Le système peut être sans balais à redresseur tournant. Néanmoins, la baisse des coûts des aimants conduit les constructeurs à s’orienter de plus en plus vers les machines à aimants. La chaîne de conversion est un ensemble redresseur – onduleur (Figure 42-C) similaire à celui de la MASDA mais présentant un coût élevé car ces convertisseurs doivent transiter la totalité de la puissance. Cet ensemble permet une large gamme de vitesse et le contrôle de la puissance réactive.
  33. 33. 32 4. Bibliographie Viet Dang Bang "Conception d’une interface d’électronique de puissance pour Pile à Combustible". Thèse de doctorat de l’Université Joseph Fourier, 2006 F. Labrique, G. Séguier, R. Bausière "Les convertisseurs de l’électronique de puissance : la conversion continu-continu et la conversion continu- alternatif". Editions Lavoisier, Technique et Documentation J.P. Ferrieux, F. Forest "Alimentations à découpage, convertisseurs à résonance". Editions Dunod, 3ème édition, 2006 G. Lefèvre "Conception de convertisseurs statiques pour l’utilisation de la pile à combustible". Thèse de doctorat de l’Université Joseph Fourier, 2004 A. Ivanès, V. Dang, Y. Lembeye, J-P. Ferrieux, J. Barbaroux "Comparison of two soft switching DC-DC converters for fuel cell applications". Conférence IAS-IEEE, Tampa, Floride, octobre 2006. H. Foch, F. Forest, Th. Meynard "Onduleurs de tension. Structures. Principes. Applications". Techniques de l’Ingénieur, D3176. L. Protin, S. Astier "Convertisseurs photovoltaïques". Techniques de l’Ingénieur, D3360. S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaabjerg "A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic Modules". IEEE Transactions On Industry Applications, Vol. 41, No. 5, September/October 2005 S. Vighetti "Photovoltaïque raccordé au réseau : Choix et optimisation des étages de conversion". Rapport de M2R, G2Elab, juin 2008. B. Multon, X. Roboam, B. Dakyo, C. Nichita, O. Gergaud, H. Ben Hamed "Aérogénérateurs électriques". Techniques de l’Ingénieur, D3960. N. Laverdure, D. Roye, S. Bacha, R. Belhomme "Techniques des systèmes éoliens : intégration au réseau électrique". Revue 3EI, ISSN 1252 -770 X, décembre 2004, pp 14-25 http://www.gepower.com/prod_serv/products/wind_turbines/en/index.htm Ph. Delarue, P. Barthlomeus, Ph. Le Moigne, P. Baudesson, X. Cimetière "Convertisseur 4 bras : montage NPC avec contrôle de point milieu utilisant un modulateur à porteuses triangulaires". Conférence EPF, Toulouse, 2004. S. Bacha, M. Crappe, S. Dupuis, I. Etxeberria-Otadui, Ch. Gombert, J. Trécat "L’exploitation des réseaux électriques avec l’électronique de puissance". Sous la direction de M. Crappe. Traité EGEM, Hermès Sciences, Editions Lavoisier, 2006.

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