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Année Universitaire
2011/ 2012
PRÉSENTÉ POUR OBTENIR LE
DIPLÔME NATIONAL
D’INGÉNIEUR
Par
*NAFFOUTI Seif_Eddine*
Dimensionnement et commande d’un hacheur parallèle
alimenté par une source photovoltaïque
Encadré par :
 Mr. HASSINE Sami
 Mr. BENGHANEM Belgacem
Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique
********
Université de Monastir
*****
École Nationale d’Ingénieurs de Monastir
Description d’un système photovoltaïque
Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
 Limite de la connexion directe GPV-Charge
 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
 Différentes techniques d’optimisation MPPT
 Implantation de la commande MPPT
Résultats des travaux de simulation
Conclusion et perspectives
Introduction
2
1
2
3
4
5
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Fossiles
Pollution:
Gaz à effet
de serre
D
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N
G
E
R
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3
Solution
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Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
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 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
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Conclusion et perspectives
Introduction
4
1
2
3
4
5
6
Cellule photovoltaïque
Cellule
photovoltaïque
Lumière Electricité
Une cellule peut produire sous un éclairement de 100W/m2 :
 Une tension de 0.6V
 Un courant allant de 2 jusqu’à 3A
 Une puissance de 1.5 W
4
4
Caractéristique d’une cellule photovoltaïque
Schéma équivalent
G
5
Le courant fournit est:
Photo-courant
Courant photovoltaïque
courant de la diode
courant shunt
pv ph d sh
I I I I
  
exp 1
pv s pv pv s pv
pv ph s
t sh
V R I V R I
I I I
V R
 
 
 
   
 
 
 
 
 
 
exp 1
pv s pv
d s
q V R I
I I
nKT
 
 

 
 
 
 
 
 
 
pv s pv
sh
sh
V R I
I
R


6
cc
I
co
V
Caractéristique courant-tension
Ipm
Vpm
7
 Influence de la résistance série Influence de la résistance shunt
0 5 10 15 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Vpv[V]
Ipv[A]
Rs=0 ohm
Rs=0.02 ohm
Rs=0.04 ohm
0 5 10 15 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Vpv[V]
Ipv[A]
Rsh=1ohm
Rsh=2 ohm
Rsh=300 ohm
8
 Influence de l’éclairement Influence de la température
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Vpv[V]
Ipv[A]
T=25°C
G=1000W/m2
G=800W/m2
G=600W/m2
G=400w/m2
0 5 10 15 20
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Vpv[V]
Ipv[A]
G=1000W/m2
T=15°C
T=20°C
T=25°C
T=30°C
9
Energie
solaire
Energie
électrique
Panneaux
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Batterie
(stockage)
Plomb-acide
Cadmium-Nickel
Energie
électrique
Site isolé
Constitution d’un système PV Isolé
Régulateur
Cette batterie pourrait être par exemple
une pile à combustible.
11
Description d’un système photovoltaïque
Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
 Limite de la connexion directe GPV-Charge
 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
 Différentes techniques d’optimisation MPPT
 Implantation de la commande MPPT
Résultats des travaux de simulation
Conclusion et perspectives
Introduction
12
1
2
3
4
5
6
Charge DC
GPV CHARGE
Pertes allant de 5% à 30%
Faible rendement
 Limites de la connexion directe GPV-charge
13
Etage
d’adaptation
Charge
DC
Hacheur
parallèle
Filtre
CL
14
3 Phases de fonctionnement possibles pour il
K est fermé, uK = 0, dil/dt>0
K est ouvert , uK = VS , dil/dt<0
K est ouvert et il = 0, donc uK = VPV
Conduction continue
On suppose les interrupteurs parfaits.
On suppose aussi que la capacité C est suffisamment élevée pour que
vS(t)=constante=VS
Conduction discontinue
Non inclut
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
Schéma de principe d’un hacheur parallèle
15
Phase 1 : 0 t T

 
Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants.
Condition initiale :
l min
en t = 0; i (t) = I
Donc :
16
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
Phase 2 : T t T
  
Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants.
Condition initiale :
l max
en t = T; i (t) = I

Donc :
Il faut que le courant diminue, il faut donc que :
17
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
Formes d’ondes des signaux :
Expression de la tension
moyenne de sortie Vs :
Soit :
Donc :
Si pas de pertes dans le CVS :
18
 
( )
1 1
( ) . . . ( ) . ( ) ( 0) 0
car signal périodique en régime permanent
l
l l l l
T T
di t l
v t l dt l di t i t T i t
T dt T T
      
 
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
En pratique la valeur de α est limitée (0.1<α<0.9) car la valeur moyenne
de la tension de sortie est infinie pour α=1,
Dimensionnement de l’inductance "L" :
Phase 1 :
Phase 2 :
Donc :
Ondulation du courant dans la source ∆Il :
19
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
Dimensionnement de la capacité du condensateur "C" :
On tient compte désormais de l’ondulation de la tension vs(t). Cette
ondulation est due à la composante alternative du courant dans la charge.
Pour , on a :
0 t T

 
Donc, en t=αT, on a :
Soit, en fait :
20
ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
Description d’un système photovoltaïque
Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
 Limite de la connexion directe GPV-Charge
 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
 Différentes techniques d’optimisation MPPT
 Implantation de la commande MPPT
Résultats des travaux de simulation
Conclusion et perspectives
Introduction
21
1
2
3
4
5
6
Technique MPPT: « Maximum Power Point Tracking » : chercher le Point
de Puissance Maximale ou bien Optimiser le fonctionnement de la chaine
de conversion photovoltaïque en variant le rapport cyclique .
La commande “ Perturb and Observe” (P&O)
La commande “Hill Climbing”
La commande par incrémentation de conductance
Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)
22
•Des pertes
Le maximum de puissance est
obtenue si la valeur de la
conductance statique et la
valeur de la conductance
dynamique sont égaux
mais de signes opposés.
•Pas de pertes
•Pas de risques de
divergence par
rapport au PPM
MPPT
P&O
Hill
climping
Incrémentation
de la
conductance
23
Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)
P&O
Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)
 Principe de la commande MPPT
24
25
25
Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)
 Implémentation de la commande MPPT
 Principaux caractéristiques :
 Oscillateur Timer 1: 32Khz
 Une ou deux sorties PMW
 Consommation d’énergie est faible
Description d’un système photovoltaïque
Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
 Limite de la connexion directe GPV-Charge
 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
 Différentes techniques d’optimisation MPPT
 Implantation de la commande MPPT
Résultats des travaux de simulation
Conclusion et perspectives
Introduction
26
1
2
3
4
5
6
27
27
Résultats des travaux de simulation
Pour Vpv=12V et =75% Pour Vpv=17.8V et =63%
Soit : Vpv=12 V Soit : Vpv=17.8 V
Description d’un système photovoltaïque
Etude de l’étage d’adaptation DC-DC
 Limite de la connexion directe GPV-Charge
 Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement
Recherche du Point de fonctionnement à
Puissance Maximale (PPM)
 Différentes techniques d’optimisation MPPT
 Implantation de la commande MPPT
Résultats des travaux de simulation
Conclusion et perspectives
Introduction
28
1
2
3
4
5
6
29
En Résumé
 Acquérir des connaissances pratiques dans le domaine
d’électronique de puissance et l’énergie renouvelable .
 la méthode P&O a été choisie pour implanter un algorithme de
poursuite du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT)
du panneau PV.
Conclusion et perspectives
Perspectives
 Qualifier les résultats (théorique) obtenues dans ce projet par
une réalisation concrète du système complet et d’en valider
expérimentalement.
 Améliorer le programme intégré au microcontrôleur (PIC) pour
qu’il puisse effectuer des fonctions de supervision, tels que : le
contrôle de l’état de charge de la batterie, le suivi du soleil,…
 Etudier un couplage hybride entre un panneau PV et un
générateur éolien dans le but de réaliser une microcentrale multi-
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5
30

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Dimensionnement et commande d’un hacheur parallèle.pptx

  • 1. Année Universitaire 2011/ 2012 PRÉSENTÉ POUR OBTENIR LE DIPLÔME NATIONAL D’INGÉNIEUR Par *NAFFOUTI Seif_Eddine* Dimensionnement et commande d’un hacheur parallèle alimenté par une source photovoltaïque Encadré par :  Mr. HASSINE Sami  Mr. BENGHANEM Belgacem Ministère de l’Enseignement Supérieur et de la Recherche Scientifique ******** Université de Monastir ***** École Nationale d’Ingénieurs de Monastir
  • 2. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 2 1 2 3 4 5 6
  • 3. Fossiles Pollution: Gaz à effet de serre D A N G E R Energies renouvelables 3 Solution
  • 4. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 4 1 2 3 4 5 6
  • 5. Cellule photovoltaïque Cellule photovoltaïque Lumière Electricité Une cellule peut produire sous un éclairement de 100W/m2 :  Une tension de 0.6V  Un courant allant de 2 jusqu’à 3A  Une puissance de 1.5 W 4
  • 6. 4 Caractéristique d’une cellule photovoltaïque Schéma équivalent G 5
  • 7. Le courant fournit est: Photo-courant Courant photovoltaïque courant de la diode courant shunt pv ph d sh I I I I    exp 1 pv s pv pv s pv pv ph s t sh V R I V R I I I I V R                       exp 1 pv s pv d s q V R I I I nKT                    pv s pv sh sh V R I I R   6
  • 9.  Influence de la résistance série Influence de la résistance shunt 0 5 10 15 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Vpv[V] Ipv[A] Rs=0 ohm Rs=0.02 ohm Rs=0.04 ohm 0 5 10 15 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Vpv[V] Ipv[A] Rsh=1ohm Rsh=2 ohm Rsh=300 ohm 8
  • 10.  Influence de l’éclairement Influence de la température 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Vpv[V] Ipv[A] T=25°C G=1000W/m2 G=800W/m2 G=600W/m2 G=400w/m2 0 5 10 15 20 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Vpv[V] Ipv[A] G=1000W/m2 T=15°C T=20°C T=25°C T=30°C 9
  • 11. Energie solaire Energie électrique Panneaux solaires Batterie (stockage) Plomb-acide Cadmium-Nickel Energie électrique Site isolé Constitution d’un système PV Isolé Régulateur Cette batterie pourrait être par exemple une pile à combustible. 11
  • 12. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 12 1 2 3 4 5 6
  • 13. Charge DC GPV CHARGE Pertes allant de 5% à 30% Faible rendement  Limites de la connexion directe GPV-charge 13
  • 15. 3 Phases de fonctionnement possibles pour il K est fermé, uK = 0, dil/dt>0 K est ouvert , uK = VS , dil/dt<0 K est ouvert et il = 0, donc uK = VPV Conduction continue On suppose les interrupteurs parfaits. On suppose aussi que la capacité C est suffisamment élevée pour que vS(t)=constante=VS Conduction discontinue Non inclut ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE Schéma de principe d’un hacheur parallèle 15
  • 16. Phase 1 : 0 t T    Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants. Condition initiale : l min en t = 0; i (t) = I Donc : 16 ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
  • 17. Phase 2 : T t T    Équation différentielle du premier ordre à coefficients constants. Condition initiale : l max en t = T; i (t) = I  Donc : Il faut que le courant diminue, il faut donc que : 17 ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
  • 18. Formes d’ondes des signaux : Expression de la tension moyenne de sortie Vs : Soit : Donc : Si pas de pertes dans le CVS : 18   ( ) 1 1 ( ) . . . ( ) . ( ) ( 0) 0 car signal périodique en régime permanent l l l l l T T di t l v t l dt l di t i t T i t T dt T T          ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
  • 19. En pratique la valeur de α est limitée (0.1<α<0.9) car la valeur moyenne de la tension de sortie est infinie pour α=1, Dimensionnement de l’inductance "L" : Phase 1 : Phase 2 : Donc : Ondulation du courant dans la source ∆Il : 19 ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
  • 20. Dimensionnement de la capacité du condensateur "C" : On tient compte désormais de l’ondulation de la tension vs(t). Cette ondulation est due à la composante alternative du courant dans la charge. Pour , on a : 0 t T    Donc, en t=αT, on a : Soit, en fait : 20 ETUDE DE MONTAGE HACHEUR PARALLÈLE
  • 21. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 21 1 2 3 4 5 6
  • 22. Technique MPPT: « Maximum Power Point Tracking » : chercher le Point de Puissance Maximale ou bien Optimiser le fonctionnement de la chaine de conversion photovoltaïque en variant le rapport cyclique . La commande “ Perturb and Observe” (P&O) La commande “Hill Climbing” La commande par incrémentation de conductance Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM) 22
  • 23. •Des pertes Le maximum de puissance est obtenue si la valeur de la conductance statique et la valeur de la conductance dynamique sont égaux mais de signes opposés. •Pas de pertes •Pas de risques de divergence par rapport au PPM MPPT P&O Hill climping Incrémentation de la conductance 23 Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)
  • 24. P&O Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Principe de la commande MPPT 24
  • 25. 25 25 Recherche de Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Implémentation de la commande MPPT  Principaux caractéristiques :  Oscillateur Timer 1: 32Khz  Une ou deux sorties PMW  Consommation d’énergie est faible
  • 26. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 26 1 2 3 4 5 6
  • 27. 27 27 Résultats des travaux de simulation Pour Vpv=12V et =75% Pour Vpv=17.8V et =63% Soit : Vpv=12 V Soit : Vpv=17.8 V
  • 28. Description d’un système photovoltaïque Etude de l’étage d’adaptation DC-DC  Limite de la connexion directe GPV-Charge  Le hacheur Boost et son principe de fonctionnement Recherche du Point de fonctionnement à Puissance Maximale (PPM)  Différentes techniques d’optimisation MPPT  Implantation de la commande MPPT Résultats des travaux de simulation Conclusion et perspectives Introduction 28 1 2 3 4 5 6
  • 29. 29 En Résumé  Acquérir des connaissances pratiques dans le domaine d’électronique de puissance et l’énergie renouvelable .  la méthode P&O a été choisie pour implanter un algorithme de poursuite du point de fonctionnement à puissance maximale (MPPT) du panneau PV. Conclusion et perspectives Perspectives  Qualifier les résultats (théorique) obtenues dans ce projet par une réalisation concrète du système complet et d’en valider expérimentalement.  Améliorer le programme intégré au microcontrôleur (PIC) pour qu’il puisse effectuer des fonctions de supervision, tels que : le contrôle de l’état de charge de la batterie, le suivi du soleil,…  Etudier un couplage hybride entre un panneau PV et un générateur éolien dans le but de réaliser une microcentrale multi- sources. 5
  • 30. 30