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DEPARTEMENT DE PHYSIQUE
Filière : Science de la matière physique
Parcours : Electronique
Projet de Fin d’Etude
Réalisé par :
- ZOKAY MUSTAPHA
-MOUFASSIH MUSTAPHA
- EL MOUDDEN YASSINE
N° du Groupe : 20
Soutenu le : ……/…./2018
Devant le jury :
 Professeur :
 Professeur :
Faculté des Sciences Agadir
Faculté des Sciences Agadir
Année universitaire 2017 -2018
Thème :
CONCEPTION ET IMPLEMENTATION INTELLIGENTE
D’UNE COMMANDE MPPT DE LA PUISSANCE MAXIMALE
DES MODULES (PV)
Liste des symboles
MPPT: Maximum Power Point Tracking.
PPM : point de puissance maximal
PV: Photovoltaïque.
GPV : Générateur Photovoltaïque.
Iph : Le photo-courant (A).
Isat : Courant de saturation (A).
Rp : Résistances parallèle shunt. (Ω)
Rs: Résistance série (Ω).
E : Eclairement (W/m2). ).
G : L’éclairement de référence (1000 W/m2).
Aeff: Surface effective qui représente la partie active de panneau PV.
Eref: L’éclairement de référence (condition standard 1000W/m²)
Tref : La température de référence (298 °K).
Icc : Le courant de court-circuit (A).
Vco : La tension de circuit ouvert (V).
Ns : Nombre de modules dans le panneau en série.
Np : Nombre de modules dans le panneau en parallèle.
Pmax : La puissance maximale produite par un GPV
Vopt : Tension optimale (Tension qui correspond à la puissance maximale (V).)
Iopt : Courant optimum (Courant qui correspond à la puissance maximale (A).)
Vco : Tension à circuit ouvert (V).
Icc : Courant de court-circuit (A)
K : coefficient de Boltzmann (1.38.10-23 J / K)
h : Constante de Planck (6.62.10-34 j.s).
2
Sommaire
Introduction générale……………………………………………………….5
Chapitre I : Généralité sur les systèmes photovoltaïques
I.1 Introduction……………………………………………………………………….…6
I.2 Energie photovoltaïque……………...……………………………………....………6
I.3 Cellule photovoltaïque………………………………………………………………6
I.3.1 Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque………………………….………7
I.3.2 Caractéristique Courant-Tension…………………………………………………8
I.3.3 Caractéristique puissance-tension……………...…………………………………8
I.3.4 Association parallèle/série des cellules photovoltaïques…………………………9
I.4 paramètres électriques du module photovoltaïque………………………………10
I.4.1 Courant de court-circuit Icc………………………………………………………10
I.4.2 Tension en circuit ouvert Vco……………………………………………………10
I.4.3 Puissance maximale………………………………………………………..……10
I.4.4 Rendement………………………………………………………………………11
I.5 Les influences météorologiques sur les courbes I(V) et P(V) ……………...……11
I.5.1 Influence de la température………………………………………………...……11
I.5.2 Influence de l’éclairement………………………………………………….……12
I.6 conclusion ………………………………………………………………………….13
Chapitre II : Commande MMPT et les méthodes d’optimisation
II.1 Introduction……………………………………………………………………….14
II.2 le convertisseur DC-DC……………………………………………….………….14
II.2.1 Le convertisseur BOOST……………………………………………………….14
II.3 principe de commande MPPT……………………………………………………17
II.4 Méthode de poursuite du point de puissance maximal…………………………19
II.4.1 méthode de tension en circuit ouvert …………………………………………..19
II.4.2 méthode de courant en court-circuit …………………………………………...19
II.4.3 méthode de Perturbation & Observation……………………………………….19
3
II.4.4 méthode de conductance incrémentielle.…………………………………….....20
II.5 Simulation de la méthode perturbation et Observation (MATLAB)………….21
II.5.1 Résultats de simulation dans les conditions standards de test (STC)……..……22
II.5.2 Résultats de simulation dans le cas de variation des conditions
météorologiques…………………………………………………………………...……23
II.6 Simulation de GPV sans MPPT (connexion direct)…………………………….24
II.7 Conclusion…………………………………………………………………………25
Conclusion générale …………………………………………………………………..25
Annexe………...………………………………………………………………………..26
4
Liste des figures
Figure I.1 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque
Figure I.2 : caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque
Figure I.3 : caractéristique Puissance –Tension d’une cellule photovoltaïque
Figure 1.4 : de la cellule solaire au panneau photovoltaïque
Figure 1.5 : l’effet de l’association des cellules parallèle/série
Figure I.6 : L’influence de la température sur la courbe I(V)
Figure I.7 : L’influence de la température sur la courbe P(V)
Figure I.8 : L’influence de l’irradiation sur la courbe I(V)
Figure I.9 : L’influence de l’irradiation sur la courbe P (V)
Figure II.1 : Circuit idéal du convertisseur BOOST.
Figure II.2 : Tension du commutateur sur une période T
Figure II.3 : Circuit équivalent respectivement pour le commutateur fermé et commutateur ouvert
Figure II.4 : Le courant de l’inductance
Figure II.5 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage d’adaptation
Figure II.6 : Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation
Figure II.7 : Schéma bloc d’un système photovoltaïque avec la commande MPPT (P&O) sous
MATLAB Simulink.
Figure II.8 : Schéma bloc de la commande P&O (bloc MPPT de la figure II.7)
Figure II.9 : La tension générée par la charge et GPV ; Le courant générée par la charge et GPV
Figure II.10 : La puissance délivrée par de GPV et la puissance absorbé par la charge
Figure II.11 : la convergence de système PV contrôler par MPPT (P&O) vers le PPM pour une
variation de T et G
Figure II.12 : point de fonctionnement résultant de l’association de générateur PV avec une charge
résistive variable (R1, R2)
Figure II.13 : Comparaison entre la puissance produit par le GPV avec MPPT et sans MPPT dans le cas
de connexion avec une charge résistive variable.
5
Introduction générale
L’augmentation de coût des énergies fossiles (le pétrole, le charbon, le gaz naturel, etc.) et la limitation
de leurs ressources, les accidents des centrales nucléaires, le problème des déchets radioactifs qui
continue de nuire aux l’environnement et la vie humaine.
Font que les énergies renouvelables deviennent de plus en plus une solution parmi les options
énergétiques prometteuses, avec des avantages comme l’abondance, l’absence de toute pollution, pour
cela l’amélioration, la conception et la réalisation des systèmes de l’énergie renouvelable sont des
problèmes d’actualité
Parmi les diverses sources d’énergie renouvelable est l’énergie photovoltaïque, qui est par définition la
transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion
d’énergie s’effectue par le biais d’une cellule dite photovoltaïque.
Un générateur photovoltaïque peut fonctionner dans une large gamme de tension et de courant de
sortie, mais il ne peut délivrer une puissance maximale que pour des valeurs particulières du courant et
de la tension. En effet la caractéristique I(V) du générateur dépend de l’éclairement solaire et de la
température. Ces variations climatiques entraînent la fluctuation du point de puissance maximale [3].
Dans ce contexte, de nombreux chercheurs se sont attachés à inventer des commandes permettant de
récupérer toujours le maximum d’énergie Ces commandes sont, connus sous le nom de MPPT
(Maximum Power Point Tracking).
Pour cela notre travail concerne la conception et implémentation intelligente d’une commande MPPT
de la puissance maximale des module PV de poursuite du point de la puissance maximale de générateur
photovoltaïque (GPV) quelque soient les conditions météorologique (la température et
l’irradiation).pour une bonne exploitation et aussi pour avoir un grand rendement.
6
Chapitre I : Généralité sur les systèmes photovoltaïques
I.1 Introduction :
Le soleil est une source énergique quasiment illimite, il pourrait couvrir plusieurs fois de notre
consommation globale d’énergie et d’après longtemps l’homme essaye d’exploite cette énergie et
finalement il a peut réaliser ce but par le moyen dit cellule photovoltaïque.
La notion photovoltaïque est compose de deux partie, PHOTO signifie la lumière (les photons) et
VOLTAIQUE (unité de tension volte) extrait du nom Alexander volta qui invente le pile chimique
Ce phénomène fut découvert en 19émé
siècle par le physicien Alexander Becquerel. La première
utilisation des cellules photovoltaïque et dans le domaine astronomie (les stellites), mais au début des
années 70 seront utilisé pours dans les différentes domaines (petites maisons isolées, équipement de
télécommunication ….).
En bref, dans ce chapitre on va étudier le principe de la conversion de l’énergie solaire en électricité.
Ensuite, nous présentons le module électrique d’une cellule photovoltaïque. Par la suite, nous étudions
l’influence des conditions météorologiques : la température et l’irradiation. Finalement, on terminera ce
chapitre par une conclusion.
I.2 Energie photovoltaïque
Le soleil est une source quasiment inépuisable d’énergie qui envoie à la surface de la terre un
rayonnement qui représente chaque année environ 8400 fois la consommation énergétique. Cela
correspond à une puissance instantanée reçue de 1 kilowatt crête par mètre Carré (KWc/m2)
Les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d’énergie du soleil que n’en
Consomme l’humanité en une année [1]
I.3 Cellule photovoltaïque
Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par
absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie
Une cellule photovoltaïque est un dispositif d’un semi –
conducteur de type P et N généralement est basé sur le
silicium créant ainsi une jonction PN. Lorsque les
photons absorbe par la région N (qui a riche des
électrons), les électrons ont une énergie cinétique donc
ils passent par le fils et fonctionne l’appareille électrique,
et ensuite ils reviennent à la région P, puis à la région N
(car la jonction PN est en équilibre).
7
lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les
charges électriques. A partir de cette définition, on constate qu’une cellule photovoltaïque est un
générateur électrique. Par conséquent, nous avons besoin d’un circuit équivalent qui explique le
fonctionnement de ce générateur.
I.3.1 Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque
Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle contient un générateur de courant qui
modélise l’éclairement, une diode en parallèle qui modélise la jonction PN, et deux résistances
modélisant les pertes dues à la connexion et les courants de fuite de la jonction. La figure I.1 suivante
représente le schéma électrique d'une cellule photovoltaïque [2] :
Figure I.1 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque.
Donc on a : 𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑝 (1.1)
𝐼𝑝 =
𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠.𝐼
𝑅𝑝
(1.2)
𝐼𝑑 = 𝐼𝑠𝑎𝑡(𝑒
𝑉𝑑
𝑉𝑡 − 1) (1.3)
Vd est la tension aux bornes de la diode talque 𝑉𝑑 = 𝑉𝑝𝑣 + 𝑅𝑠 × 𝐼𝑝𝑣 (1.4)
𝑉𝑡 =
𝑁𝐾𝑇
𝑞
(1.5)
𝐼𝑝ℎ =
𝐸
𝐸𝑟𝑒𝑓
(1.6)
Avec :
Ipv : Le courant fourni par la cellule
Vpv : la tension aux bornes de la cellule
Iph : le courant de court-circuit de la cellule, dépendant de l’éclairement et la température
Isat : le courant de saturation de diode
Rp : la résistance shunt caractérisant les courants de fuite de la jonction
Rs : la résistance série représentant les diverses résistances des contacts et de connexions
Vt : Tension thermique.
N : facteur d’idéalité de photopile.
K : Constante de Boltzmann.
Iph Id Ip
Ipv
Rp
Rs
Vpv
G
T
8
q : La charge d’électrons (1.6 × 10−19
).
𝐸 : L’éclairement absorbé par la cellule.
𝐸𝑟𝑒𝑓 : L’éclairement de référence (condition standard 1000W/m² et 25°C)
Donc l’équation (1.1) devient :
𝐼𝑝𝑣 =
𝐸
𝐸𝑟𝑒𝑓
− 𝐼𝑠𝑎𝑡(𝑒 𝑞
𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠×𝐼𝑝𝑣
𝑁.𝐾.𝑇 − 1) −
𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠.𝐼𝑝𝑣
𝑅𝑝
(1.7)
I.3.2 Caractéristique Courant-Tension
Pour trace le Caractéristique Courant-Tension d’une cellule photovoltaïque nous avons utilisé le langage
MATLAB comme utile de simulation
Figure I.2 : caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque
La figure I.2 représente trois zones essentielles [1] :
a) La zone (1) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, Le générateur
photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant.
b) La zone (2) : correspondant au code de la caractéristique, la région intermédiaire Entre les deux
zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du Générateur, où le point
optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé.
c) La zone (3) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une Tension presque
constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension.
I.3.3 Caractéristique puissance- tension
La puissance délivrée par une cellule photovoltaïque est donnée par la relation suivante :
𝑃𝑝𝑣 = 𝑉𝑝𝑣 × 𝐼𝑝𝑣 (1.7)
La figure I.3 illustre la courbe de la puissance en fonction de la tension d’une cellule photovoltaïque.
Tension Vpv
CourantIpv
Zone 3Zone 2Zone 1
9
Figure I.3 : caractéristique Puissance –Tension d’une cellule photovoltaïque
I.3.4 Association parallèle/série des cellules photovoltaïques
La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des
besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques
dizaines de centimètres carrés délivre au maximum quelques watts sous une tension inférieure au volt
(tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance, Plusieurs cellules doivent être assemblées
afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque [1].
Figure 1.4 : de la cellule solaire au panneau photovoltaïque
L’association des cellules en série augmente la tension pour le même courant la courbe à droit de
la figure I.4 montre l’effet de l’association en parallèle des cellules photovoltaïque sur les
caractéristiques Ipv=f(Vpv).
Tension Vpv
PuissancePpv
PPM
Voc
Cellule photovoltaïque
Module photovoltaïque
Panneau photovoltaïque
10
L’association des cellules en parallèle augmente le courant pour la même tension la courbe à
gauche de La figure I.5 montre l’effet de l’association en série des cellules photovoltaïque sur les
caractéristiques Ipv=f(Vpv).
Figure 1.5 : l’effet de l’association des cellules parallèle/série
I.4 paramètres électriques du module photovoltaïque
Pour comparer les déférents modules des panneaux photovoltaïques, on se base sur différents
paramètres de mesures dans des conditions appelées conditions normalisées de test des panneaux
solaires ou bien STC (Standard Test Conditions). Elles sont caractérisées par un rayonnement
instantané de 1000W/m2 et d’une température ambiante de 25°C.
Les paramètres électriques du module photovoltaïque sont : le courant de court-circuit, la tension de
circuit ouvert, la puissance maximale et le rendement.
I.4.1 Courant de court-circuit Icc
Le courant maximal Icc d’un GPV est obtenu lorsqu’on place un module photovoltaïque en court-
circuit. On obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes du module.
I.4.2 Tension en circuit ouvert Vco
Si on place un module sous une source lumineuse constante sans aucune circulation de courant (circuit
ouvert), on obtient à ses bornes une tension maximale continue, dite tension à circuit ouvert 𝑉𝑐 𝑜.
I.4.3 Puissance maximale Pmax
Dans les caractéristiques I(V), on a vu qu’un générateur photovoltaïque peut fonctionner dans une large
gamme de tension et de courant de sortie, mais il ne peut pas délivrer une puissance maximale que pour
des valeurs particulières du courant et de la tension. Ces valeurs sont le courant optimal 𝐼 𝑜𝑝 et la
tension optimale 𝑉𝑜 𝑝. La puissance maximale est donnée par la formule suivante :
𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑜𝑝 × 𝑉𝑜𝑝
Tension
Courant
TensionCourant
Np×Icc' Ns×Vco'
association des cellules en parallèle association des cellules en série
11
I.4.4 Rendement
Le rendement énergétique d’un module PV est le rapport entre la puissance électrique maximale
fournie par le module et la puissance solaire incidente. Il est donné par la formule suivante :
Ƞ 𝑝𝑣 =
𝑃𝑚𝑎𝑥
𝐴 𝑒𝑓𝑓 × 𝐺
G : l’irradiation qui représente la puissance lumineuse reçue par unité de surface (W/m2) ;
𝐴 𝑒𝑓𝑓 : Surface effective qui représente la partie active de panneau PV.
I.5 Les influences météorologiques sur les courbes I(V) et P(V)
La température et l’irradiation ce sont des paramètres météorologiques les plus influentes sur les
caractéristiques d’un module PV. En effet, pour étudier ces influences nous avons utilisé MATLAB
comme outil de tests et de simulation, et nous avons choisi un module SIEMENS SM 110-24.
I.5.1 Influence de la température
La température de milieu extérieur influence directement sur le rendement d’une cellule
photovoltaïque. On remarque que lorsque la température augmente, la valeur de tension en circuit
ouvert et la puissance diminuent ; par contre le courant reste quasiment constant, comme illustre les
figures suivantes :
Figure I.6 : L’influence de la température sur la courbe I (V)
0 10 20 30 40 50 60
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Tension Vpv(v)
CourantIpv(A)
50 °C
25 °C
0 °C
75 °C
12
Figure I.7 : L’influence de la température sur la courbe P (V)
I.5.2 Influence de l’éclairement
Dans les cellules photovoltaïque on remarque que lorsque l’irradiation lumineuse augment, permet au
module de produire une puissance électrique plus importante, la valeur de courant en court-circuit
proportionnel à l’intensité de rayonnement, par contre la tension reste constante de même proportionne
et vice versa comme illustre la figure suivant :
Figure I.8 : L’influence de l’irradiation sur la courbe I (V)
0 10 20 30 40 50 60
0
50
100
150
Tension Vpv(V)
PuissancePpv(W)
0 °C
25°C
50°C
75 °C
0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
Tension Vpv (V)
CourantIpv(A)
G=200W/m2
G=400W/m2
G=600W/m2
G=800W/m2
G=1000W/m2
13
Figure I.9 : L’influence de l’irradiation sur la courbe P (V)
I-6 conclusion
Dans ce chapitre nous avons étudies le dispositif électronique standard équivalent à un générateur
photovoltaïque, et les influences météorologiques sur les courbes I(V) et p(V) et on constate que la
quantité d’électricité produits par un GPV est faible par rapport à la puissance de rayonnement incident
à cause de l’éclairement et de la température mais aussi de la nature de charge au borne de GPV. Pour
améliorer le rendement et le fonctionnement optimale de GPV, il nécessaire d’utilise un étage
d’adaptation entre le GPV et la charge que nous allons étudie dans la chapitre suivantes.
10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
0
50
100
150
Tension Vpv (V)
PwissancePpv(W)
G=200 w/m2
G=400 w/m2
G=600 w/m2
G=800 w/m2
G=1000 w/m2
14
Chapitre II : Commande MMPT et les méthodes d’optimisation
II.1 Introduction :
La conception globale des systèmes photovoltaïques et par nature difficile, car les caractéristiques I(V),
dépend les conditions climatique comme on vu dans le chapitre précédente, ces variation entraine la
fluctuation de point de puissance maximale.
Pour bonne exploitation de la puissance maximale à la borne de GPV, on a besoin d’un dispositif
électronique capable de cherche et maintenir les paramètres optimale de fonctionnement de système
photovoltaïque s’appelé un étage d’adaptation, il comporte deux systèmes principale : le convertisseur
DC-DC et la commande MPPT.
Ce système a grand intérêt dans le domaine d’adaptation de puissance, car il permettant de poursuivre
la puissance maximale à chaque instant et transforme l’énergie électrique à la charge avec un minimum
de pertes.
Dans ce chapitre nous présentons quelque type de convertisseur DC-DC le plus utilise dans les
systèmes photovoltaïques comme le convertisseur survolteur, le convertisseur dévolteur, ensuite nous
présentons la relations relies entre la commande MPPT et le convertisseur , et ont terminé finalement
par quatre méthode le plus utilise de poursuivre la puissance maximale d’une générateur
photovoltaïques et leurs simulations : la méthode de tension constante , courant constante, perturbation
et observation, incrémentation de l’inductance.
II.2 le convertisseur DC-DC
Le hacheur est un convertisseur continue / continue permettant de convertir une énergie continue a un
niveau de tension (ou de courant) en une énergie continue à un autre niveau de tension (ou de courant).
Pour la conversion de puissance il est essentielle que le rendement soit élève et pour évite la dissipation
et l’échauffement de l’énergie dans l’étage d’adaptation, pour cette raison Le hacheur se compose des
condensateurs, self, diode, et aussi des interrupteurs électroniques command able à la fermeture et à
l’ouverture, comme le transistor BJT ou MOSEFT à effet de champ mais ce dernière le plus utilise à la
puissance relativement basse dans l’étage d’adaptation.
II.2.1 Le convertisseur BOOST
15
Figure II.1 : Circuit idéal du convertisseur BOOST.
Le convertisseur BOOST est caractérise par la tension de sortie et supérieur à la tension d’entrée est
connue aussi par le nom de d’élévateur de tension. Le dispositif électronique d’un d’élévateur de
tension présente deux états principale, lorsque l’interrupteur K est ferme le courant dans l’inductance
croit progressivement jusqu’à le courant attient une valeur maximale, le deuxième état correspond
lorsque l’interrupteur K est ouvert l’énergie emmagasine dans l’inductance est transformé vers la
charge à travers la diode donc on a une diminution de courant jusqu’à attient une valeur minimale.
Figure II.2 : Tension du commutateur sur une période T
Figure II.3 : Circuit équivalent respectivement pour le commutateur fermé et commutateur ouvert
L
CMOS Rs
Diode IsIe
Vs
Ve
L
C
Rs
Ve
Vs
Ie=IL=i(t)
L
C Rs
Ve
Vs
Ie=IL=i(t)
V(t)
tαT0 T
(1-α)T
Fermé Ton
Ouvert Toff
16
Figure II.4 : Le courant de l’inductance
𝛼 =
𝑇𝑜𝑛
𝑇
(2.1)
a) L’analyse pour l’interrupteur fermé 0<t<𝜶𝑻
𝑉𝑒 = 𝐿
𝑑𝑖(𝑡)
𝑑𝑡
(2.2)
𝑖(𝑡) =
𝑉𝑒
𝐿
𝑡 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.3)
À t=0 𝑖(𝑡) = 𝐼 𝑚𝑖𝑛
Donc pendant l’intervalle Ton le count 𝑖(𝑡) s’exprimer :
𝑖(𝑡) =
𝑉𝑒
𝐿
𝑡 + 𝐼 𝑚𝑖𝑛 (2.4)
b) L’analyse pour l’interrupteur ouvert 0<t<𝜶𝑻
𝑉𝑒 − 𝑉𝑠 = 𝐿
𝑑𝑖
𝑑𝑡
(2.5)
𝑖(𝑡) =
𝑉𝑒−𝑉𝑠
𝐿
𝑡 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.6)
À t=𝛼𝑇 𝑖(𝛼𝑇) = 𝐼 𝑚𝑎𝑥 =
𝑉𝑒−𝑉𝑠
𝐿
𝛼𝑇 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.7)
Alors l’expression finale de courant 𝑖(𝑡) :
𝑖(𝑡) = −
𝑉𝑠−𝑉𝑒
𝐿
(𝑡 − 𝛼𝑇) + 𝐼 𝑚𝑎𝑥 (2.8)
c) L’expression de Vs en fonction de Ve
D’après l’équation (2.8) À t=T 𝐼 𝑚𝑖𝑛 = −
𝑉𝑠−𝑉𝑒
𝐿
𝑇(1 − 𝛼) + 𝐼 𝑚𝑎𝑥 (2.9)
𝛥𝑖 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 =
𝑉𝑠−𝑉𝑒
𝐿
𝑇(1 − 𝛼) (2.10)
D’après l’équation (2.4) t=𝛼𝑇
0 αT T
i(t)
t
Δi
𝐼 𝑚𝑎𝑥
𝐼 𝑚𝑖𝑛
17
𝛥𝑖 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 =
𝑉𝑒
𝐿
𝛼𝑇 (2.11)
L’équivalence entre l’équation (2.10) et (2.11) donne la relation entre Vs et Ve
Donc : 𝑉𝑠 =
𝑉𝑒
1−𝛼
(2.12)
d) L’expression de Is en fonction de Ie
On définit le rendement de convertisseur :
𝜌 =
𝑃𝑠
𝑃𝑒
(2.13)
𝑃𝑠 : La puissance de sortie de convertisseur.
𝑃𝑒 : La puissance au niveau de charge.
On considère le rendement de convertisseur égal à 1 (puissance dissipé égale à 0).
𝑉𝑠 × 𝐼𝑠 = 𝑉𝑒 × 𝐼𝑒 (2.14)
On injecté l’équation (2.12) dans l’équation (2.14)
Donc l’expression de Is en fonction de Ie s’exprime :
𝐼𝑠 = 𝐼𝑒(1 − 𝛼) (2.15)
On constate d’après les équations mathématique que le convertisseur BOOST augment la tension de
sortie, et diminue le courant de sortie par rapport à l’entré
II.3 Conclusion :
En résume la connexion entre le générateur photovoltaïque et la charge peut être optimise en ajustant
sur le rapport cyclique 𝛼.
De manière générale si le rapport cyclique a une valeur très important, c.-à-d. la durée qui correspond
à l’interrupteur ouvert est très grand, le générateur photovoltaïque se comporte comme un générateur
de courant, la durée qui correspond à l’interrupteur ferme le générateur photovoltaïque se comporte
comme un générateur de tension.
Donc la variation de rapport cyclique fait varie le point de fonctionnement de générateur
photovoltaïque jusqu'à on arrive à le point qui correspond à la tension et le courant optimale, donc il
faut chercher des méthodes qui permet de détermine le rapport cyclique à chaque instant, c’est l’objet
de paragraphe suivant.
II.3 Principe de commande MPPT
18
Figure II.5 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage d’adaptation
On a 𝑅 𝑜𝑝𝑡 =
𝑉𝑜𝑝𝑡
𝐼𝑜𝑝𝑡
(2.16)
À partir de l’équation (2.12) et (2.15) on remplaçant Vpv par Vopt et Ipv par Iopt
On obtient 𝑉𝑠 =
𝑉𝑜𝑝𝑡
1−𝛼 𝑜𝑝𝑡
et Is = (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)I 𝑜𝑝𝑡 (2.17)
On remplaçant les deux termes de l’expression (2.16) dans l’équation (2.17)
𝑅 𝑜𝑝𝑡 =
𝑉𝑠
𝐼𝑠
× (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)2
(2.18)
Nous savons que 𝑅𝑠 =
𝑉𝑠
𝐼𝑠
Donc l’équation (2.16) devient 𝑅 𝑜𝑝𝑡 = 𝑅𝑠 × (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)2
(2.19)
Finalement 𝛼 𝑜𝑝𝑡 = 1 − √
𝑅 𝑜𝑝𝑡
𝑅 𝑠
(2.20)
La commande MPPT joue un rôle très important permet de fonctionne le générateur photovoltaïque de
façons à produire la maximum puissance a la charge à l’aide d’un convertisseur DC-DC, quelques
soient les conditions météorologique
La figure II.5 illustre que la commande MPPT se trouve juste prés de générateur photovoltaïque pour
extraire à chaque instant la maximum puissance, cette dernière ajuste sur le rapport cyclique 𝛼 𝑜𝑝𝑡.
Par conséquence le convertisseur DC-DC place le système au point de fonctionnement maximum
l’équation (2.20) montre que pour déterminer 𝛼 𝑜𝑝𝑡 il faut premièrement trouver la valeur de
𝑅 𝑜𝑝𝑡 𝑞𝑢𝑖 𝑒𝑠𝑡 é𝑔𝑎𝑙
𝑉𝑜𝑝𝑡
𝐼𝑜𝑝𝑡
(𝑉𝑜𝑝𝑡, 𝐼𝑜𝑝𝑡) sont les coordonne de point de puissance maximale, C'est le rôle
principal du commande MPPT Qui s'appuient sur des algorithme peut être plus ou moins compliqué
pour rechercher le PPM.
Ipv
Convertisseur statique
DC/DC
Charge
DC
Rs
Vpv
α
Commande
MPPT
Is
Vs
19
Dans le paragraphe suivant on va voir Les techniques le plus utilise de recherche du point de puissance
maximale.
II.4 Méthode de poursuite du point de puissance maximal
Les techniques le plus utilise de recherche du point de puissance maximale sont : méthode de courant
en court-circuit, de tension en circuit ouvert, P and O, conductance incrémentation.
II.4.1 méthode de tension en circuit ouvert
Cette méthode est base sur l’approximation linéaire des caractéristiques de générateur photovoltaïque
autour de point optimale (puissance maximale) avec la tension en circuit ouvert Vcc, selon l’équation
suivant :
k =
Vop
Vcc
Tel que k est une constante, donnée par le constructeur (pour une cellule poly cristallin 0 .73<k<0.80
dans les conditions normale).
Cette méthode devient très simple au niveau de la commande MPPT mais les conditions
météorologique faite varie la valeur de Vcc par conséquence la valeur de k change aussi, donc cette
n’est pas efficace pour tous les cas.
II.4.2 méthode de courant en court-circuit
Cette méthode est base sur le même principe de méthode de tension en circuits ouverts, c.-à-d. on peut
faire une approximation linéaire des caractéristique de générateurs photovoltaïque entre le courant
optimale et le courant on court circuits selon l’équation suivant :
k =
Iop
Icc
Tel que k est une constante donne par le constructeur dans les conditions normal.
II.4.3 méthode de Perturbation & Observation
C’est la méthode le plus utilise dans les commandes MPPT grâce à son efficacité de détermination le
point optimale à partir des caractéristique du générateur photovoltaïque, comme son nom l’indique est
base sur deux éléments principale : la perturbation et l’observation.
La perturbation signifie l’augmentation et la diminution de la tension V par une faible amplitude. (C.-à-
d. on ajustant directement sur le rapport cyclique α de convertisseur DC-DC).
L’observation signifie les effets de la perturbation sur la puissance produire aux bornes de générateur.
Le principe de fonctionnement : On perturbe la tension V(n) par une faible amplitude dv , puis en
constate a partir de la puissance délivre par la générateur, si la valeur de la puissance avant la
perturbation P(n) est inferieur la puissance après la perturbation P(n + 1) alors on garde la même
direction de perturbation cela signifie que le point correspond à la puissance optimale est à gauche
MPP, si P(n + 1) est inferieur a la puissance avant la perturbation P(n)
Cela signifie que le point optimal est à droite de MPP.
L’organigramme suivant résume tout le principe :
20
Figure II.6 : Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation
II.4.4 méthode de conductance incrémentielle
Cette méthode est base sur le même principe de perturbation et observation, car toujours on compare la
puissance précédente et la puissance actuelle. Mais la seul déférence existe dans la technique de calcul,
dans cette méthodes nous utilisons deux grandeurs physique, le première c’est la conductance c.-à-d. le
quotient entre le courant Ipv(t) et la tension Vpv(t) de générateur et la deuxième c’est la conductance
incrémentielle ce grandeur n’est pas très utilisable il correspond à la variation de courant Ipv par
rapport à la tension Vpv, comme montre l’équation suivant :
dPpv
dVpv
=
d(I∗V)
dV
= I ∗
dV
dV
+ V ∗
dIpv
dVpv
= I + V ∗ ΔG = Vpv ∗ G + Vpv ∗ ΔG
dPpv
dvpv
= Vpv(ΔG + G)
Tel que : G = conductance et ΔG = la conductance incrementielle
dPpv
dVpv
<0 donc ΔG < −𝐺 (1)
Mesures: V(k), I(k)
𝑃𝑝𝑣(𝑘) − 𝑃𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0
𝑃𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) × 𝐼𝑝𝑣(𝑘)
𝑃𝑝𝑣(𝑘 − 1) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) × 𝐼𝑝𝑣(𝑘 − 1)
K=K-1
𝑉𝑝𝑣(𝑘) − 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0
𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) + ∆𝑉 𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − ∆𝑉 𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) + ∆𝑉𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − ∆𝑉
Debut
Non Oui
Non Oui Non Oui
21
dPpv
dVpv
>0 donc ΔG > −𝐺 (2)
dPpv
dVpv
=0 donc ΔG = −G (3)
Principe de fonctionnement : les équations précédents sont employées pour détermine la direction dans
laquelle une perturbation doit se produire un déplacement de point de fonctionnement vers le point
optimale. Cette perturbation se répète jusqu'à l’équation (3) est vérifié. Si on atteint le point optimale le
système continue à fonctionne avec cette valeur de puissance maximale jusqu'à une changement au
niveau d’éclairement ou la température, si par exemple on a une augmentation d’irradiation donc le
courant de générateur a une valeur important donc la point de fonctionnement se déplace vers la
gauche et si la valeur d’irradiation diminue par conséquence la courant a une valeur très faible donc le
point optimale se déplace vers la droite.
Si on calcul la valeur de précédent et actuelle de la tension et de courant dV et dI , si dV=0 et dI=0
donc on n’a pas aucun changement au niveau des caractéristique de générateur (l’irradiation et la
tempérer sont fixes) c.-à-d MPPT fonctionne dans le point optimale.
si dV=0 et dI<0 au dI>0 donc on a une changement au niveau d’irradiation le point optimale déplace a
gauche ou à droite, si
dI
dV
<−
I
V
donc le point de fonctionnement doit être déplace à droite, si
dI
dV
> −
I
V
donc le point de fonctionnement doit être déplace à gauche.
Alors le principe fonctionnement de conductance incrémentielle est similaire à le fonctionnement de
perturbation et observation.
II.5 Simulation de la méthode perturbation et Observation (MATLAB)
Figure II.7 : Schéma bloc d’un système photovoltaïque avec la commande MPPT (P&O) sous
MATLAB Simulink.
22
Figure II.8 : Schéma bloc de la commande P&O (bloc MPPT de la figure II.7)
II.5.1 Résultats de simulation dans les conditions standards de test (STC)
On bref étudie dans cette partie les différentes grandeurs électrique (courant, tension, puissance) d’un
system photovoltaïque avec un commande MPPT de type P&O et le comparer avec celle d’une charge
résistive.
La figure ci-dessous représenté les résultats de simulation pour une température T fixée à 25 °C, et
éclairement fixe G à 1000 W/m²
Le module PV étudie a une puissance maximal Pmax=140.8 W, le courant optimal Iopt=4.46 A, la
tension optimal Vopt=31.58 V.
Figure II.9 : La tension générée par la charge et GPV ; Le courant générée par la charge et GPV
D’après les figures ci-dessus nous pouvons remarquer que la commande MPPT à base de l’algorithme
P&O, permet au système d’osciller toujours autour de point de puissance maximal qui corresponde au
produit de la tension optimale et le courant optimal.
On remarque aussi que la tension de sortie Vs (la tension au borne de la charge) est supérieur à la
tension Vpv produit par le générateur PV par contre Is<Ipv cela est dû à l'utilisation de convertisseur
BOOST, ce qui a été démontré dans les deux équations précédentes (II.12 et II.15).
0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
4.5
5
t(s)
I(A)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
-50
0
50
100
150
200
250
300
t(s)
V(A)
I
s
I
pv
Vs
Vpv
G=1000w/m2
T=25 0
C
G=1000w/m2
T=25 0
C
23
Figure II.10 : La puissance délivrée par de GPV et la puissance absorbé par la charge
La figure II.10 montre que la puissance générée par le générateur PV oscillant autour de 140W ce qui
est égal à Pmax.
Après un régime transitoire de durée 2.5 s la puissance absorbé par la charge se stabilise autour de 132
W, la différence entre la puissance produit par le générateur et celle absorbe par la charge est dû à des
pertes qui sont attribuées aux pertes par commutation et par conduction dans le transistor Mosfet, dans
la diode et dans les différents composants de convertisseur et de commande MPPT.
II.5.1 Résultats de simulation dans le cas de variation des conditions météorologiques
Dans cette partie on étudie la convergence de système PV contrôlé par MPPT vers le PPM mais cette
fois pour une température T fixée à 25 °C, alors que nous faisons varier rapidement l'éclairement G,
avec des fronts montants de durées assez courte. Ensuite, sous une irradiation G fixée à 1000 W/m2,
nous faisons varier rapidement la température T, avec des fronts montants de durées assez courtes, Et
nous allons comparer la réponse de système à ces changements, la figure () montre les résultats des
simulations obtenu.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
20
40
60
80
100
120
140
160
t(s)
P(W)
T=25 0
C
Ps
Ppv
G=1000w/m2
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
20
40
60
80
100
120
140
160
P(w)
t(s)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5
0
50
100
150
P(w)
t(s)
G=600w/m2
G=400w/m2
G=200w/m2
Ps
Ppv
G=1000w/m2
T=25 0
C
Ps
25 °C
50 °C
75 °C
0 °C
Ppv
G=800w/m2
G=1000w/m2
24
Figure II.11 : la convergence de système PV contrôler par MPPT (P&O) vers le PPM pour une variation
de T et G
Les résultats obtenus de la figure II.11 montrent l'efficacité de système PV contrôler par MPPT de type
P&O lors des changements des conditions météorologique, le système oscille toujours autour de la
puissance maximale pour les différents cas.
II.6 Simulation de GPV sans MPPT (connexion direct)
Le choix de ce type de connexion est principalement lié à la simplicité de l’opération, et à son faible
coût
Figure II.12 : point de fonctionnement résultant de l’association de générateur PV avec une charge
résistive variable (R1, R2)
La puissance délivrée par le GPV dans le cas de la connexion direct dépend le point d’intersection entre
les caractéristique de charge et les caractéristique de GPV, Donc nous pouvons trouver un très fort
écart entre la puissance potentielle du générateur et celle réellement transférée à la charge.
Figure II.13 : Comparaison entre la puissance produit par le GPV avec MPPT et sans MPPT dans le
cas de connexion avec une charge résistive variable.
La figure ci-dessous montre que la puissance produit dans le cas d’une connexion directe est très faible
par rapport à celle produit par un système PV avec l’étage de l’adaptation
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Iop (A)
Vpv(V)
PPM
Iop
Vop
Ropt
R2
R1
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4
0
50
100
150
t(s)
P(W)
R=20 ohm
R=50 ohm
R=500 ohm
R=5 ohm
la puissance fournie par le GPV avec MPPT
la puissance fournie par le GPV sans MPPT
T=25 o
C
G=1000W/m2
25
Donc le système PV sans MPPT a une mauvaise efficacité à cause de non adaptation entre le module
PV et la charge.
II.6 Conclusion
Dans ce chapitre nous avons étudies le fonctionnement de convertisseur DC-DC de type Bosst et les
divers méthodes de détermination le point qui correspond à la puissance maximale, et nous avons
étudies sous matlab la simulation de la méthode de P&O (perturb and observ) le plus utilisable et qui
donne des résultats satisfaites quelques soient les conditions météorologique.
Et d’après Les résultats auxquels nous nous sommes aboutis, montrent que l'utilisation de la commande
MPPT permet d'améliorer, de manière efficace le rendement des installations photovoltaïques
26
Annex:
clear all
close all
clc
clf
Isc=3.45 ;%courant court-circuit
Voc=43.5 ;%tension circuit ouvert
Impp=3.15 ;%(courant optimale) le courant au point de puissance
maximale
Vmpp=35 ;%(tension optimale) la tension au point de puissance
maximale
K1=0.01175 ;
K4=log((1+K1)/(K1));
K3=log((Isc*(1+K1)-Impp)/(K1*Isc));
m=(log(K3/K4))/(log(Vmpp/Voc));
K2=(K4/(Voc^m)) ;
Vpv=0:0.1:50;
Ipv=Isc*(1-K1*(exp(K2*(Vpv.^m)-1)));
%pour ne pas avoir un courant négative
for i=1:size(Ipv,2)
if Ipv(i)<0
Ipv(i)=0;
end
end
Ppv=Vpv.*Ipv;
figure(1)
plot(Vpv,Ipv);
figure(2)
plot(Vpv,Ppv);
%--------------------------------------------------------------------
---
%Tc; T a condition quelconque
27
%G; l'intensité a condition quelconque
%dIpv variation de courant en fonction des conditions climatiques
%dVpv variation de tension en fonction des conditions climatiques
Tstc=25; %T a condition standard
Gstc=1000;% insolation a condition standard
a=1.4e-3 ;%alpha(sc) coefficient de température d'incrémentation du
courant Isc quand la température de surface augment de un degré {A/C}
b=-152e-3;%beta(oc) coefficient de température d'incrémentation du
courant Voc quand la température de surface augment de un degré {V/C}
Rs=0.614 ; %résistance série
%l'effet de Température sur PV
for Tc=0:25:75
G=1000;
dTc=Tc-Tstc;
dIpv=a*(G/Gstc)*dTc+(G/Gstc-1)*Isc;
dVpv=-b*dTc-Rs*dIpv;
Vnouv=Vpv+dVpv;
Inouv=Ipv+dIpv;
Pnouv=Vnouv.*Inouv;
for i=1:size(Inouv,2)
if Inouv(i)<0
Inouv(i)=0;
end
end
for i=1:size(Vnouv,2)
if Vnouv(i)<0
Vnouv(i)=0;
end
end
for i=1:size(Pnouv,2)
if Pnouv(i)<0
Pnouv(i)=0;
end
end
figure(3)
hold on
plot(Vnouv,Inouv);
figure(4)
hold on
plot(Vnouv,Pnouv);
end
28
%l'effet de l'irradiation sur PV
for G=200:200:1000
T=25;
dTc=Tc-Tstc;
dIpv=a*(G/Gstc)*dTc+(G/Gstc-1)*Isc;
dVpv=-b*dTc-Rs*dIpv;
Vnouv=Vpv+dVpv;
Inouv=Ipv+dIpv;
for i=1:size(Inouv,2)
if Inouv(i)<0
Inouv(i)=0;
end
end
for i=1:size(Vnouv,2)
if Vnouv(i)<0
Vnouv(i)=0;
end
end
for i=1:size(Pnouv,2)
if Pnouv(i)<0
Pnouv(i)=0;
end
end
figure(5)
hold on
plot(Vnouv,Inouv);
figure(6)
hold on
Pnouv=Vnouv.*Inouv;
plot(Vnouv,Pnouv),title('influence de lirradiation');
end
29
Conclusion générale
D’après tout ce que nous avons vu dans les chapitres précédents, la puissance d’un générateur
photovoltaïque dépend de plusieurs paramètres comme la température, l’intensité lumineuse, et la
nature de charge, et afin extraire le maximum puissance disponible au borne de la générateur
photovoltaïque et pour améliorer le rendement des système PV, nous avons utilisé des méthodes
d’adaptation comme la méthode de courant en court-circuit, la tension en circuit ouvert, la méthode
d’observation & perturbation, la méthode de conductance incrémental.
Mais ces méthodes sont des méthodes classique, donc il faut améliore le comportement de ces
méthodes au niveau de temps calcul (la recherche de PPM) c.-à-d. amélioration de la rapidité de
système pour convergence très vite vers la puissance maximal, on peut attendre ce but on utilisant des
nouveaux algorithmes comme MPPT a base de réseaux de neurones artificiels ou à base de la logique
floue.
‘
30
Bibliographie
[1] F.HANANOU, ROUABAH AICHA, «Modélisation et simulation d’un système
Photovoltaïque» UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA 2013/2014
[2] Angel Cid Pastor. Conception et réalisation de modules photovoltaïques électroniques. Micro et
nanotechnologies/Microélectronique. INSA de Toulouse, 2006. Français.
[3] R.M.Erahi-CHENNI «amélioration de la commande P&O par une détection synchrone du courant
de batterie» Revue de ICESD, P (113-121) 2011

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  • 1. DEPARTEMENT DE PHYSIQUE Filière : Science de la matière physique Parcours : Electronique Projet de Fin d’Etude Réalisé par : - ZOKAY MUSTAPHA -MOUFASSIH MUSTAPHA - EL MOUDDEN YASSINE N° du Groupe : 20 Soutenu le : ……/…./2018 Devant le jury :  Professeur :  Professeur : Faculté des Sciences Agadir Faculté des Sciences Agadir Année universitaire 2017 -2018 Thème : CONCEPTION ET IMPLEMENTATION INTELLIGENTE D’UNE COMMANDE MPPT DE LA PUISSANCE MAXIMALE DES MODULES (PV)
  • 2. Liste des symboles MPPT: Maximum Power Point Tracking. PPM : point de puissance maximal PV: Photovoltaïque. GPV : Générateur Photovoltaïque. Iph : Le photo-courant (A). Isat : Courant de saturation (A). Rp : Résistances parallèle shunt. (Ω) Rs: Résistance série (Ω). E : Eclairement (W/m2). ). G : L’éclairement de référence (1000 W/m2). Aeff: Surface effective qui représente la partie active de panneau PV. Eref: L’éclairement de référence (condition standard 1000W/m²) Tref : La température de référence (298 °K). Icc : Le courant de court-circuit (A). Vco : La tension de circuit ouvert (V). Ns : Nombre de modules dans le panneau en série. Np : Nombre de modules dans le panneau en parallèle. Pmax : La puissance maximale produite par un GPV Vopt : Tension optimale (Tension qui correspond à la puissance maximale (V).) Iopt : Courant optimum (Courant qui correspond à la puissance maximale (A).) Vco : Tension à circuit ouvert (V). Icc : Courant de court-circuit (A) K : coefficient de Boltzmann (1.38.10-23 J / K) h : Constante de Planck (6.62.10-34 j.s).
  • 3. 2 Sommaire Introduction générale……………………………………………………….5 Chapitre I : Généralité sur les systèmes photovoltaïques I.1 Introduction……………………………………………………………………….…6 I.2 Energie photovoltaïque……………...……………………………………....………6 I.3 Cellule photovoltaïque………………………………………………………………6 I.3.1 Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque………………………….………7 I.3.2 Caractéristique Courant-Tension…………………………………………………8 I.3.3 Caractéristique puissance-tension……………...…………………………………8 I.3.4 Association parallèle/série des cellules photovoltaïques…………………………9 I.4 paramètres électriques du module photovoltaïque………………………………10 I.4.1 Courant de court-circuit Icc………………………………………………………10 I.4.2 Tension en circuit ouvert Vco……………………………………………………10 I.4.3 Puissance maximale………………………………………………………..……10 I.4.4 Rendement………………………………………………………………………11 I.5 Les influences météorologiques sur les courbes I(V) et P(V) ……………...……11 I.5.1 Influence de la température………………………………………………...……11 I.5.2 Influence de l’éclairement………………………………………………….……12 I.6 conclusion ………………………………………………………………………….13 Chapitre II : Commande MMPT et les méthodes d’optimisation II.1 Introduction……………………………………………………………………….14 II.2 le convertisseur DC-DC……………………………………………….………….14 II.2.1 Le convertisseur BOOST……………………………………………………….14 II.3 principe de commande MPPT……………………………………………………17 II.4 Méthode de poursuite du point de puissance maximal…………………………19 II.4.1 méthode de tension en circuit ouvert …………………………………………..19 II.4.2 méthode de courant en court-circuit …………………………………………...19 II.4.3 méthode de Perturbation & Observation……………………………………….19
  • 4. 3 II.4.4 méthode de conductance incrémentielle.…………………………………….....20 II.5 Simulation de la méthode perturbation et Observation (MATLAB)………….21 II.5.1 Résultats de simulation dans les conditions standards de test (STC)……..……22 II.5.2 Résultats de simulation dans le cas de variation des conditions météorologiques…………………………………………………………………...……23 II.6 Simulation de GPV sans MPPT (connexion direct)…………………………….24 II.7 Conclusion…………………………………………………………………………25 Conclusion générale …………………………………………………………………..25 Annexe………...………………………………………………………………………..26
  • 5. 4 Liste des figures Figure I.1 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque Figure I.2 : caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque Figure I.3 : caractéristique Puissance –Tension d’une cellule photovoltaïque Figure 1.4 : de la cellule solaire au panneau photovoltaïque Figure 1.5 : l’effet de l’association des cellules parallèle/série Figure I.6 : L’influence de la température sur la courbe I(V) Figure I.7 : L’influence de la température sur la courbe P(V) Figure I.8 : L’influence de l’irradiation sur la courbe I(V) Figure I.9 : L’influence de l’irradiation sur la courbe P (V) Figure II.1 : Circuit idéal du convertisseur BOOST. Figure II.2 : Tension du commutateur sur une période T Figure II.3 : Circuit équivalent respectivement pour le commutateur fermé et commutateur ouvert Figure II.4 : Le courant de l’inductance Figure II.5 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage d’adaptation Figure II.6 : Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation Figure II.7 : Schéma bloc d’un système photovoltaïque avec la commande MPPT (P&O) sous MATLAB Simulink. Figure II.8 : Schéma bloc de la commande P&O (bloc MPPT de la figure II.7) Figure II.9 : La tension générée par la charge et GPV ; Le courant générée par la charge et GPV Figure II.10 : La puissance délivrée par de GPV et la puissance absorbé par la charge Figure II.11 : la convergence de système PV contrôler par MPPT (P&O) vers le PPM pour une variation de T et G Figure II.12 : point de fonctionnement résultant de l’association de générateur PV avec une charge résistive variable (R1, R2) Figure II.13 : Comparaison entre la puissance produit par le GPV avec MPPT et sans MPPT dans le cas de connexion avec une charge résistive variable.
  • 6. 5 Introduction générale L’augmentation de coût des énergies fossiles (le pétrole, le charbon, le gaz naturel, etc.) et la limitation de leurs ressources, les accidents des centrales nucléaires, le problème des déchets radioactifs qui continue de nuire aux l’environnement et la vie humaine. Font que les énergies renouvelables deviennent de plus en plus une solution parmi les options énergétiques prometteuses, avec des avantages comme l’abondance, l’absence de toute pollution, pour cela l’amélioration, la conception et la réalisation des systèmes de l’énergie renouvelable sont des problèmes d’actualité Parmi les diverses sources d’énergie renouvelable est l’énergie photovoltaïque, qui est par définition la transformation directe d’une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d’énergie s’effectue par le biais d’une cellule dite photovoltaïque. Un générateur photovoltaïque peut fonctionner dans une large gamme de tension et de courant de sortie, mais il ne peut délivrer une puissance maximale que pour des valeurs particulières du courant et de la tension. En effet la caractéristique I(V) du générateur dépend de l’éclairement solaire et de la température. Ces variations climatiques entraînent la fluctuation du point de puissance maximale [3]. Dans ce contexte, de nombreux chercheurs se sont attachés à inventer des commandes permettant de récupérer toujours le maximum d’énergie Ces commandes sont, connus sous le nom de MPPT (Maximum Power Point Tracking). Pour cela notre travail concerne la conception et implémentation intelligente d’une commande MPPT de la puissance maximale des module PV de poursuite du point de la puissance maximale de générateur photovoltaïque (GPV) quelque soient les conditions météorologique (la température et l’irradiation).pour une bonne exploitation et aussi pour avoir un grand rendement.
  • 7. 6 Chapitre I : Généralité sur les systèmes photovoltaïques I.1 Introduction : Le soleil est une source énergique quasiment illimite, il pourrait couvrir plusieurs fois de notre consommation globale d’énergie et d’après longtemps l’homme essaye d’exploite cette énergie et finalement il a peut réaliser ce but par le moyen dit cellule photovoltaïque. La notion photovoltaïque est compose de deux partie, PHOTO signifie la lumière (les photons) et VOLTAIQUE (unité de tension volte) extrait du nom Alexander volta qui invente le pile chimique Ce phénomène fut découvert en 19émé siècle par le physicien Alexander Becquerel. La première utilisation des cellules photovoltaïque et dans le domaine astronomie (les stellites), mais au début des années 70 seront utilisé pours dans les différentes domaines (petites maisons isolées, équipement de télécommunication ….). En bref, dans ce chapitre on va étudier le principe de la conversion de l’énergie solaire en électricité. Ensuite, nous présentons le module électrique d’une cellule photovoltaïque. Par la suite, nous étudions l’influence des conditions météorologiques : la température et l’irradiation. Finalement, on terminera ce chapitre par une conclusion. I.2 Energie photovoltaïque Le soleil est une source quasiment inépuisable d’énergie qui envoie à la surface de la terre un rayonnement qui représente chaque année environ 8400 fois la consommation énergétique. Cela correspond à une puissance instantanée reçue de 1 kilowatt crête par mètre Carré (KWc/m2) Les déserts de notre planète reçoivent en 6 heures plus d’énergie du soleil que n’en Consomme l’humanité en une année [1] I.3 Cellule photovoltaïque Les cellules photovoltaïques exploitent l'effet photoélectrique pour produire du courant continu par absorption du rayonnement solaire. Cet effet permet aux cellules de convertir directement l’énergie Une cellule photovoltaïque est un dispositif d’un semi – conducteur de type P et N généralement est basé sur le silicium créant ainsi une jonction PN. Lorsque les photons absorbe par la région N (qui a riche des électrons), les électrons ont une énergie cinétique donc ils passent par le fils et fonctionne l’appareille électrique, et ensuite ils reviennent à la région P, puis à la région N (car la jonction PN est en équilibre).
  • 8. 7 lumineuse des photons en électricité par le biais d’un matériau semi-conducteur transportant les charges électriques. A partir de cette définition, on constate qu’une cellule photovoltaïque est un générateur électrique. Par conséquent, nous avons besoin d’un circuit équivalent qui explique le fonctionnement de ce générateur. I.3.1 Circuit équivalent d’une cellule photovoltaïque Le schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque réelle contient un générateur de courant qui modélise l’éclairement, une diode en parallèle qui modélise la jonction PN, et deux résistances modélisant les pertes dues à la connexion et les courants de fuite de la jonction. La figure I.1 suivante représente le schéma électrique d'une cellule photovoltaïque [2] : Figure I.1 : Schéma équivalent d’une cellule photovoltaïque. Donc on a : 𝐼𝑝𝑣 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑝 (1.1) 𝐼𝑝 = 𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠.𝐼 𝑅𝑝 (1.2) 𝐼𝑑 = 𝐼𝑠𝑎𝑡(𝑒 𝑉𝑑 𝑉𝑡 − 1) (1.3) Vd est la tension aux bornes de la diode talque 𝑉𝑑 = 𝑉𝑝𝑣 + 𝑅𝑠 × 𝐼𝑝𝑣 (1.4) 𝑉𝑡 = 𝑁𝐾𝑇 𝑞 (1.5) 𝐼𝑝ℎ = 𝐸 𝐸𝑟𝑒𝑓 (1.6) Avec : Ipv : Le courant fourni par la cellule Vpv : la tension aux bornes de la cellule Iph : le courant de court-circuit de la cellule, dépendant de l’éclairement et la température Isat : le courant de saturation de diode Rp : la résistance shunt caractérisant les courants de fuite de la jonction Rs : la résistance série représentant les diverses résistances des contacts et de connexions Vt : Tension thermique. N : facteur d’idéalité de photopile. K : Constante de Boltzmann. Iph Id Ip Ipv Rp Rs Vpv G T
  • 9. 8 q : La charge d’électrons (1.6 × 10−19 ). 𝐸 : L’éclairement absorbé par la cellule. 𝐸𝑟𝑒𝑓 : L’éclairement de référence (condition standard 1000W/m² et 25°C) Donc l’équation (1.1) devient : 𝐼𝑝𝑣 = 𝐸 𝐸𝑟𝑒𝑓 − 𝐼𝑠𝑎𝑡(𝑒 𝑞 𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠×𝐼𝑝𝑣 𝑁.𝐾.𝑇 − 1) − 𝑉𝑝𝑣+𝑅𝑠.𝐼𝑝𝑣 𝑅𝑝 (1.7) I.3.2 Caractéristique Courant-Tension Pour trace le Caractéristique Courant-Tension d’une cellule photovoltaïque nous avons utilisé le langage MATLAB comme utile de simulation Figure I.2 : caractéristique courant-tension d’une cellule photovoltaïque La figure I.2 représente trois zones essentielles [1] : a) La zone (1) : où le courant reste constant quelle que soit la tension, pour cette région, Le générateur photovoltaïque fonctionne comme un générateur de courant. b) La zone (2) : correspondant au code de la caractéristique, la région intermédiaire Entre les deux zones précédentes, représente la région préférée pour le fonctionnement du Générateur, où le point optimal (caractérisé par une puissance maximale) peut être déterminé. c) La zone (3) : qui se distingue par une variation de courant correspondant à une Tension presque constante, dans ce cas le générateur est assimilable à un générateur de tension. I.3.3 Caractéristique puissance- tension La puissance délivrée par une cellule photovoltaïque est donnée par la relation suivante : 𝑃𝑝𝑣 = 𝑉𝑝𝑣 × 𝐼𝑝𝑣 (1.7) La figure I.3 illustre la courbe de la puissance en fonction de la tension d’une cellule photovoltaïque. Tension Vpv CourantIpv Zone 3Zone 2Zone 1
  • 10. 9 Figure I.3 : caractéristique Puissance –Tension d’une cellule photovoltaïque I.3.4 Association parallèle/série des cellules photovoltaïques La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre au maximum quelques watts sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance, Plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque [1]. Figure 1.4 : de la cellule solaire au panneau photovoltaïque L’association des cellules en série augmente la tension pour le même courant la courbe à droit de la figure I.4 montre l’effet de l’association en parallèle des cellules photovoltaïque sur les caractéristiques Ipv=f(Vpv). Tension Vpv PuissancePpv PPM Voc Cellule photovoltaïque Module photovoltaïque Panneau photovoltaïque
  • 11. 10 L’association des cellules en parallèle augmente le courant pour la même tension la courbe à gauche de La figure I.5 montre l’effet de l’association en série des cellules photovoltaïque sur les caractéristiques Ipv=f(Vpv). Figure 1.5 : l’effet de l’association des cellules parallèle/série I.4 paramètres électriques du module photovoltaïque Pour comparer les déférents modules des panneaux photovoltaïques, on se base sur différents paramètres de mesures dans des conditions appelées conditions normalisées de test des panneaux solaires ou bien STC (Standard Test Conditions). Elles sont caractérisées par un rayonnement instantané de 1000W/m2 et d’une température ambiante de 25°C. Les paramètres électriques du module photovoltaïque sont : le courant de court-circuit, la tension de circuit ouvert, la puissance maximale et le rendement. I.4.1 Courant de court-circuit Icc Le courant maximal Icc d’un GPV est obtenu lorsqu’on place un module photovoltaïque en court- circuit. On obtient sa valeur en branchant un ampèremètre aux bornes du module. I.4.2 Tension en circuit ouvert Vco Si on place un module sous une source lumineuse constante sans aucune circulation de courant (circuit ouvert), on obtient à ses bornes une tension maximale continue, dite tension à circuit ouvert 𝑉𝑐 𝑜. I.4.3 Puissance maximale Pmax Dans les caractéristiques I(V), on a vu qu’un générateur photovoltaïque peut fonctionner dans une large gamme de tension et de courant de sortie, mais il ne peut pas délivrer une puissance maximale que pour des valeurs particulières du courant et de la tension. Ces valeurs sont le courant optimal 𝐼 𝑜𝑝 et la tension optimale 𝑉𝑜 𝑝. La puissance maximale est donnée par la formule suivante : 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝐼𝑜𝑝 × 𝑉𝑜𝑝 Tension Courant TensionCourant Np×Icc' Ns×Vco' association des cellules en parallèle association des cellules en série
  • 12. 11 I.4.4 Rendement Le rendement énergétique d’un module PV est le rapport entre la puissance électrique maximale fournie par le module et la puissance solaire incidente. Il est donné par la formule suivante : Ƞ 𝑝𝑣 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐴 𝑒𝑓𝑓 × 𝐺 G : l’irradiation qui représente la puissance lumineuse reçue par unité de surface (W/m2) ; 𝐴 𝑒𝑓𝑓 : Surface effective qui représente la partie active de panneau PV. I.5 Les influences météorologiques sur les courbes I(V) et P(V) La température et l’irradiation ce sont des paramètres météorologiques les plus influentes sur les caractéristiques d’un module PV. En effet, pour étudier ces influences nous avons utilisé MATLAB comme outil de tests et de simulation, et nous avons choisi un module SIEMENS SM 110-24. I.5.1 Influence de la température La température de milieu extérieur influence directement sur le rendement d’une cellule photovoltaïque. On remarque que lorsque la température augmente, la valeur de tension en circuit ouvert et la puissance diminuent ; par contre le courant reste quasiment constant, comme illustre les figures suivantes : Figure I.6 : L’influence de la température sur la courbe I (V) 0 10 20 30 40 50 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tension Vpv(v) CourantIpv(A) 50 °C 25 °C 0 °C 75 °C
  • 13. 12 Figure I.7 : L’influence de la température sur la courbe P (V) I.5.2 Influence de l’éclairement Dans les cellules photovoltaïque on remarque que lorsque l’irradiation lumineuse augment, permet au module de produire une puissance électrique plus importante, la valeur de courant en court-circuit proportionnel à l’intensité de rayonnement, par contre la tension reste constante de même proportionne et vice versa comme illustre la figure suivant : Figure I.8 : L’influence de l’irradiation sur la courbe I (V) 0 10 20 30 40 50 60 0 50 100 150 Tension Vpv(V) PuissancePpv(W) 0 °C 25°C 50°C 75 °C 0 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 Tension Vpv (V) CourantIpv(A) G=200W/m2 G=400W/m2 G=600W/m2 G=800W/m2 G=1000W/m2
  • 14. 13 Figure I.9 : L’influence de l’irradiation sur la courbe P (V) I-6 conclusion Dans ce chapitre nous avons étudies le dispositif électronique standard équivalent à un générateur photovoltaïque, et les influences météorologiques sur les courbes I(V) et p(V) et on constate que la quantité d’électricité produits par un GPV est faible par rapport à la puissance de rayonnement incident à cause de l’éclairement et de la température mais aussi de la nature de charge au borne de GPV. Pour améliorer le rendement et le fonctionnement optimale de GPV, il nécessaire d’utilise un étage d’adaptation entre le GPV et la charge que nous allons étudie dans la chapitre suivantes. 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 0 50 100 150 Tension Vpv (V) PwissancePpv(W) G=200 w/m2 G=400 w/m2 G=600 w/m2 G=800 w/m2 G=1000 w/m2
  • 15. 14 Chapitre II : Commande MMPT et les méthodes d’optimisation II.1 Introduction : La conception globale des systèmes photovoltaïques et par nature difficile, car les caractéristiques I(V), dépend les conditions climatique comme on vu dans le chapitre précédente, ces variation entraine la fluctuation de point de puissance maximale. Pour bonne exploitation de la puissance maximale à la borne de GPV, on a besoin d’un dispositif électronique capable de cherche et maintenir les paramètres optimale de fonctionnement de système photovoltaïque s’appelé un étage d’adaptation, il comporte deux systèmes principale : le convertisseur DC-DC et la commande MPPT. Ce système a grand intérêt dans le domaine d’adaptation de puissance, car il permettant de poursuivre la puissance maximale à chaque instant et transforme l’énergie électrique à la charge avec un minimum de pertes. Dans ce chapitre nous présentons quelque type de convertisseur DC-DC le plus utilise dans les systèmes photovoltaïques comme le convertisseur survolteur, le convertisseur dévolteur, ensuite nous présentons la relations relies entre la commande MPPT et le convertisseur , et ont terminé finalement par quatre méthode le plus utilise de poursuivre la puissance maximale d’une générateur photovoltaïques et leurs simulations : la méthode de tension constante , courant constante, perturbation et observation, incrémentation de l’inductance. II.2 le convertisseur DC-DC Le hacheur est un convertisseur continue / continue permettant de convertir une énergie continue a un niveau de tension (ou de courant) en une énergie continue à un autre niveau de tension (ou de courant). Pour la conversion de puissance il est essentielle que le rendement soit élève et pour évite la dissipation et l’échauffement de l’énergie dans l’étage d’adaptation, pour cette raison Le hacheur se compose des condensateurs, self, diode, et aussi des interrupteurs électroniques command able à la fermeture et à l’ouverture, comme le transistor BJT ou MOSEFT à effet de champ mais ce dernière le plus utilise à la puissance relativement basse dans l’étage d’adaptation. II.2.1 Le convertisseur BOOST
  • 16. 15 Figure II.1 : Circuit idéal du convertisseur BOOST. Le convertisseur BOOST est caractérise par la tension de sortie et supérieur à la tension d’entrée est connue aussi par le nom de d’élévateur de tension. Le dispositif électronique d’un d’élévateur de tension présente deux états principale, lorsque l’interrupteur K est ferme le courant dans l’inductance croit progressivement jusqu’à le courant attient une valeur maximale, le deuxième état correspond lorsque l’interrupteur K est ouvert l’énergie emmagasine dans l’inductance est transformé vers la charge à travers la diode donc on a une diminution de courant jusqu’à attient une valeur minimale. Figure II.2 : Tension du commutateur sur une période T Figure II.3 : Circuit équivalent respectivement pour le commutateur fermé et commutateur ouvert L CMOS Rs Diode IsIe Vs Ve L C Rs Ve Vs Ie=IL=i(t) L C Rs Ve Vs Ie=IL=i(t) V(t) tαT0 T (1-α)T Fermé Ton Ouvert Toff
  • 17. 16 Figure II.4 : Le courant de l’inductance 𝛼 = 𝑇𝑜𝑛 𝑇 (2.1) a) L’analyse pour l’interrupteur fermé 0<t<𝜶𝑻 𝑉𝑒 = 𝐿 𝑑𝑖(𝑡) 𝑑𝑡 (2.2) 𝑖(𝑡) = 𝑉𝑒 𝐿 𝑡 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.3) À t=0 𝑖(𝑡) = 𝐼 𝑚𝑖𝑛 Donc pendant l’intervalle Ton le count 𝑖(𝑡) s’exprimer : 𝑖(𝑡) = 𝑉𝑒 𝐿 𝑡 + 𝐼 𝑚𝑖𝑛 (2.4) b) L’analyse pour l’interrupteur ouvert 0<t<𝜶𝑻 𝑉𝑒 − 𝑉𝑠 = 𝐿 𝑑𝑖 𝑑𝑡 (2.5) 𝑖(𝑡) = 𝑉𝑒−𝑉𝑠 𝐿 𝑡 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.6) À t=𝛼𝑇 𝑖(𝛼𝑇) = 𝐼 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉𝑒−𝑉𝑠 𝐿 𝛼𝑇 + 𝑐𝑠𝑡𝑒 (2.7) Alors l’expression finale de courant 𝑖(𝑡) : 𝑖(𝑡) = − 𝑉𝑠−𝑉𝑒 𝐿 (𝑡 − 𝛼𝑇) + 𝐼 𝑚𝑎𝑥 (2.8) c) L’expression de Vs en fonction de Ve D’après l’équation (2.8) À t=T 𝐼 𝑚𝑖𝑛 = − 𝑉𝑠−𝑉𝑒 𝐿 𝑇(1 − 𝛼) + 𝐼 𝑚𝑎𝑥 (2.9) 𝛥𝑖 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑠−𝑉𝑒 𝐿 𝑇(1 − 𝛼) (2.10) D’après l’équation (2.4) t=𝛼𝑇 0 αT T i(t) t Δi 𝐼 𝑚𝑎𝑥 𝐼 𝑚𝑖𝑛
  • 18. 17 𝛥𝑖 = 𝐼𝑚𝑎𝑥 − 𝐼𝑚𝑖𝑛 = 𝑉𝑒 𝐿 𝛼𝑇 (2.11) L’équivalence entre l’équation (2.10) et (2.11) donne la relation entre Vs et Ve Donc : 𝑉𝑠 = 𝑉𝑒 1−𝛼 (2.12) d) L’expression de Is en fonction de Ie On définit le rendement de convertisseur : 𝜌 = 𝑃𝑠 𝑃𝑒 (2.13) 𝑃𝑠 : La puissance de sortie de convertisseur. 𝑃𝑒 : La puissance au niveau de charge. On considère le rendement de convertisseur égal à 1 (puissance dissipé égale à 0). 𝑉𝑠 × 𝐼𝑠 = 𝑉𝑒 × 𝐼𝑒 (2.14) On injecté l’équation (2.12) dans l’équation (2.14) Donc l’expression de Is en fonction de Ie s’exprime : 𝐼𝑠 = 𝐼𝑒(1 − 𝛼) (2.15) On constate d’après les équations mathématique que le convertisseur BOOST augment la tension de sortie, et diminue le courant de sortie par rapport à l’entré II.3 Conclusion : En résume la connexion entre le générateur photovoltaïque et la charge peut être optimise en ajustant sur le rapport cyclique 𝛼. De manière générale si le rapport cyclique a une valeur très important, c.-à-d. la durée qui correspond à l’interrupteur ouvert est très grand, le générateur photovoltaïque se comporte comme un générateur de courant, la durée qui correspond à l’interrupteur ferme le générateur photovoltaïque se comporte comme un générateur de tension. Donc la variation de rapport cyclique fait varie le point de fonctionnement de générateur photovoltaïque jusqu'à on arrive à le point qui correspond à la tension et le courant optimale, donc il faut chercher des méthodes qui permet de détermine le rapport cyclique à chaque instant, c’est l’objet de paragraphe suivant. II.3 Principe de commande MPPT
  • 19. 18 Figure II.5 : Connexion d’un GPV à une charge à travers un étage d’adaptation On a 𝑅 𝑜𝑝𝑡 = 𝑉𝑜𝑝𝑡 𝐼𝑜𝑝𝑡 (2.16) À partir de l’équation (2.12) et (2.15) on remplaçant Vpv par Vopt et Ipv par Iopt On obtient 𝑉𝑠 = 𝑉𝑜𝑝𝑡 1−𝛼 𝑜𝑝𝑡 et Is = (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)I 𝑜𝑝𝑡 (2.17) On remplaçant les deux termes de l’expression (2.16) dans l’équation (2.17) 𝑅 𝑜𝑝𝑡 = 𝑉𝑠 𝐼𝑠 × (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)2 (2.18) Nous savons que 𝑅𝑠 = 𝑉𝑠 𝐼𝑠 Donc l’équation (2.16) devient 𝑅 𝑜𝑝𝑡 = 𝑅𝑠 × (1 − 𝛼 𝑜𝑝𝑡)2 (2.19) Finalement 𝛼 𝑜𝑝𝑡 = 1 − √ 𝑅 𝑜𝑝𝑡 𝑅 𝑠 (2.20) La commande MPPT joue un rôle très important permet de fonctionne le générateur photovoltaïque de façons à produire la maximum puissance a la charge à l’aide d’un convertisseur DC-DC, quelques soient les conditions météorologique La figure II.5 illustre que la commande MPPT se trouve juste prés de générateur photovoltaïque pour extraire à chaque instant la maximum puissance, cette dernière ajuste sur le rapport cyclique 𝛼 𝑜𝑝𝑡. Par conséquence le convertisseur DC-DC place le système au point de fonctionnement maximum l’équation (2.20) montre que pour déterminer 𝛼 𝑜𝑝𝑡 il faut premièrement trouver la valeur de 𝑅 𝑜𝑝𝑡 𝑞𝑢𝑖 𝑒𝑠𝑡 é𝑔𝑎𝑙 𝑉𝑜𝑝𝑡 𝐼𝑜𝑝𝑡 (𝑉𝑜𝑝𝑡, 𝐼𝑜𝑝𝑡) sont les coordonne de point de puissance maximale, C'est le rôle principal du commande MPPT Qui s'appuient sur des algorithme peut être plus ou moins compliqué pour rechercher le PPM. Ipv Convertisseur statique DC/DC Charge DC Rs Vpv α Commande MPPT Is Vs
  • 20. 19 Dans le paragraphe suivant on va voir Les techniques le plus utilise de recherche du point de puissance maximale. II.4 Méthode de poursuite du point de puissance maximal Les techniques le plus utilise de recherche du point de puissance maximale sont : méthode de courant en court-circuit, de tension en circuit ouvert, P and O, conductance incrémentation. II.4.1 méthode de tension en circuit ouvert Cette méthode est base sur l’approximation linéaire des caractéristiques de générateur photovoltaïque autour de point optimale (puissance maximale) avec la tension en circuit ouvert Vcc, selon l’équation suivant : k = Vop Vcc Tel que k est une constante, donnée par le constructeur (pour une cellule poly cristallin 0 .73<k<0.80 dans les conditions normale). Cette méthode devient très simple au niveau de la commande MPPT mais les conditions météorologique faite varie la valeur de Vcc par conséquence la valeur de k change aussi, donc cette n’est pas efficace pour tous les cas. II.4.2 méthode de courant en court-circuit Cette méthode est base sur le même principe de méthode de tension en circuits ouverts, c.-à-d. on peut faire une approximation linéaire des caractéristique de générateurs photovoltaïque entre le courant optimale et le courant on court circuits selon l’équation suivant : k = Iop Icc Tel que k est une constante donne par le constructeur dans les conditions normal. II.4.3 méthode de Perturbation & Observation C’est la méthode le plus utilise dans les commandes MPPT grâce à son efficacité de détermination le point optimale à partir des caractéristique du générateur photovoltaïque, comme son nom l’indique est base sur deux éléments principale : la perturbation et l’observation. La perturbation signifie l’augmentation et la diminution de la tension V par une faible amplitude. (C.-à- d. on ajustant directement sur le rapport cyclique α de convertisseur DC-DC). L’observation signifie les effets de la perturbation sur la puissance produire aux bornes de générateur. Le principe de fonctionnement : On perturbe la tension V(n) par une faible amplitude dv , puis en constate a partir de la puissance délivre par la générateur, si la valeur de la puissance avant la perturbation P(n) est inferieur la puissance après la perturbation P(n + 1) alors on garde la même direction de perturbation cela signifie que le point correspond à la puissance optimale est à gauche MPP, si P(n + 1) est inferieur a la puissance avant la perturbation P(n) Cela signifie que le point optimal est à droite de MPP. L’organigramme suivant résume tout le principe :
  • 21. 20 Figure II.6 : Organigramme de la méthode de perturbation et d'observation II.4.4 méthode de conductance incrémentielle Cette méthode est base sur le même principe de perturbation et observation, car toujours on compare la puissance précédente et la puissance actuelle. Mais la seul déférence existe dans la technique de calcul, dans cette méthodes nous utilisons deux grandeurs physique, le première c’est la conductance c.-à-d. le quotient entre le courant Ipv(t) et la tension Vpv(t) de générateur et la deuxième c’est la conductance incrémentielle ce grandeur n’est pas très utilisable il correspond à la variation de courant Ipv par rapport à la tension Vpv, comme montre l’équation suivant : dPpv dVpv = d(I∗V) dV = I ∗ dV dV + V ∗ dIpv dVpv = I + V ∗ ΔG = Vpv ∗ G + Vpv ∗ ΔG dPpv dvpv = Vpv(ΔG + G) Tel que : G = conductance et ΔG = la conductance incrementielle dPpv dVpv <0 donc ΔG < −𝐺 (1) Mesures: V(k), I(k) 𝑃𝑝𝑣(𝑘) − 𝑃𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0 𝑃𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) × 𝐼𝑝𝑣(𝑘) 𝑃𝑝𝑣(𝑘 − 1) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) × 𝐼𝑝𝑣(𝑘 − 1) K=K-1 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − 𝑉𝑝𝑣(𝑘 − 1) > 0 𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) + ∆𝑉 𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − ∆𝑉 𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) + ∆𝑉𝑉𝑝𝑣(𝑘) = 𝑉𝑝𝑣(𝑘) − ∆𝑉 Debut Non Oui Non Oui Non Oui
  • 22. 21 dPpv dVpv >0 donc ΔG > −𝐺 (2) dPpv dVpv =0 donc ΔG = −G (3) Principe de fonctionnement : les équations précédents sont employées pour détermine la direction dans laquelle une perturbation doit se produire un déplacement de point de fonctionnement vers le point optimale. Cette perturbation se répète jusqu'à l’équation (3) est vérifié. Si on atteint le point optimale le système continue à fonctionne avec cette valeur de puissance maximale jusqu'à une changement au niveau d’éclairement ou la température, si par exemple on a une augmentation d’irradiation donc le courant de générateur a une valeur important donc la point de fonctionnement se déplace vers la gauche et si la valeur d’irradiation diminue par conséquence la courant a une valeur très faible donc le point optimale se déplace vers la droite. Si on calcul la valeur de précédent et actuelle de la tension et de courant dV et dI , si dV=0 et dI=0 donc on n’a pas aucun changement au niveau des caractéristique de générateur (l’irradiation et la tempérer sont fixes) c.-à-d MPPT fonctionne dans le point optimale. si dV=0 et dI<0 au dI>0 donc on a une changement au niveau d’irradiation le point optimale déplace a gauche ou à droite, si dI dV <− I V donc le point de fonctionnement doit être déplace à droite, si dI dV > − I V donc le point de fonctionnement doit être déplace à gauche. Alors le principe fonctionnement de conductance incrémentielle est similaire à le fonctionnement de perturbation et observation. II.5 Simulation de la méthode perturbation et Observation (MATLAB) Figure II.7 : Schéma bloc d’un système photovoltaïque avec la commande MPPT (P&O) sous MATLAB Simulink.
  • 23. 22 Figure II.8 : Schéma bloc de la commande P&O (bloc MPPT de la figure II.7) II.5.1 Résultats de simulation dans les conditions standards de test (STC) On bref étudie dans cette partie les différentes grandeurs électrique (courant, tension, puissance) d’un system photovoltaïque avec un commande MPPT de type P&O et le comparer avec celle d’une charge résistive. La figure ci-dessous représenté les résultats de simulation pour une température T fixée à 25 °C, et éclairement fixe G à 1000 W/m² Le module PV étudie a une puissance maximal Pmax=140.8 W, le courant optimal Iopt=4.46 A, la tension optimal Vopt=31.58 V. Figure II.9 : La tension générée par la charge et GPV ; Le courant générée par la charge et GPV D’après les figures ci-dessus nous pouvons remarquer que la commande MPPT à base de l’algorithme P&O, permet au système d’osciller toujours autour de point de puissance maximal qui corresponde au produit de la tension optimale et le courant optimal. On remarque aussi que la tension de sortie Vs (la tension au borne de la charge) est supérieur à la tension Vpv produit par le générateur PV par contre Is<Ipv cela est dû à l'utilisation de convertisseur BOOST, ce qui a été démontré dans les deux équations précédentes (II.12 et II.15). 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 t(s) I(A) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 -50 0 50 100 150 200 250 300 t(s) V(A) I s I pv Vs Vpv G=1000w/m2 T=25 0 C G=1000w/m2 T=25 0 C
  • 24. 23 Figure II.10 : La puissance délivrée par de GPV et la puissance absorbé par la charge La figure II.10 montre que la puissance générée par le générateur PV oscillant autour de 140W ce qui est égal à Pmax. Après un régime transitoire de durée 2.5 s la puissance absorbé par la charge se stabilise autour de 132 W, la différence entre la puissance produit par le générateur et celle absorbe par la charge est dû à des pertes qui sont attribuées aux pertes par commutation et par conduction dans le transistor Mosfet, dans la diode et dans les différents composants de convertisseur et de commande MPPT. II.5.1 Résultats de simulation dans le cas de variation des conditions météorologiques Dans cette partie on étudie la convergence de système PV contrôlé par MPPT vers le PPM mais cette fois pour une température T fixée à 25 °C, alors que nous faisons varier rapidement l'éclairement G, avec des fronts montants de durées assez courte. Ensuite, sous une irradiation G fixée à 1000 W/m2, nous faisons varier rapidement la température T, avec des fronts montants de durées assez courtes, Et nous allons comparer la réponse de système à ces changements, la figure () montre les résultats des simulations obtenu. 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 20 40 60 80 100 120 140 160 t(s) P(W) T=25 0 C Ps Ppv G=1000w/m2 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 20 40 60 80 100 120 140 160 P(w) t(s) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 0 50 100 150 P(w) t(s) G=600w/m2 G=400w/m2 G=200w/m2 Ps Ppv G=1000w/m2 T=25 0 C Ps 25 °C 50 °C 75 °C 0 °C Ppv G=800w/m2 G=1000w/m2
  • 25. 24 Figure II.11 : la convergence de système PV contrôler par MPPT (P&O) vers le PPM pour une variation de T et G Les résultats obtenus de la figure II.11 montrent l'efficacité de système PV contrôler par MPPT de type P&O lors des changements des conditions météorologique, le système oscille toujours autour de la puissance maximale pour les différents cas. II.6 Simulation de GPV sans MPPT (connexion direct) Le choix de ce type de connexion est principalement lié à la simplicité de l’opération, et à son faible coût Figure II.12 : point de fonctionnement résultant de l’association de générateur PV avec une charge résistive variable (R1, R2) La puissance délivrée par le GPV dans le cas de la connexion direct dépend le point d’intersection entre les caractéristique de charge et les caractéristique de GPV, Donc nous pouvons trouver un très fort écart entre la puissance potentielle du générateur et celle réellement transférée à la charge. Figure II.13 : Comparaison entre la puissance produit par le GPV avec MPPT et sans MPPT dans le cas de connexion avec une charge résistive variable. La figure ci-dessous montre que la puissance produit dans le cas d’une connexion directe est très faible par rapport à celle produit par un système PV avec l’étage de l’adaptation 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Iop (A) Vpv(V) PPM Iop Vop Ropt R2 R1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 0 50 100 150 t(s) P(W) R=20 ohm R=50 ohm R=500 ohm R=5 ohm la puissance fournie par le GPV avec MPPT la puissance fournie par le GPV sans MPPT T=25 o C G=1000W/m2
  • 26. 25 Donc le système PV sans MPPT a une mauvaise efficacité à cause de non adaptation entre le module PV et la charge. II.6 Conclusion Dans ce chapitre nous avons étudies le fonctionnement de convertisseur DC-DC de type Bosst et les divers méthodes de détermination le point qui correspond à la puissance maximale, et nous avons étudies sous matlab la simulation de la méthode de P&O (perturb and observ) le plus utilisable et qui donne des résultats satisfaites quelques soient les conditions météorologique. Et d’après Les résultats auxquels nous nous sommes aboutis, montrent que l'utilisation de la commande MPPT permet d'améliorer, de manière efficace le rendement des installations photovoltaïques
  • 27. 26 Annex: clear all close all clc clf Isc=3.45 ;%courant court-circuit Voc=43.5 ;%tension circuit ouvert Impp=3.15 ;%(courant optimale) le courant au point de puissance maximale Vmpp=35 ;%(tension optimale) la tension au point de puissance maximale K1=0.01175 ; K4=log((1+K1)/(K1)); K3=log((Isc*(1+K1)-Impp)/(K1*Isc)); m=(log(K3/K4))/(log(Vmpp/Voc)); K2=(K4/(Voc^m)) ; Vpv=0:0.1:50; Ipv=Isc*(1-K1*(exp(K2*(Vpv.^m)-1))); %pour ne pas avoir un courant négative for i=1:size(Ipv,2) if Ipv(i)<0 Ipv(i)=0; end end Ppv=Vpv.*Ipv; figure(1) plot(Vpv,Ipv); figure(2) plot(Vpv,Ppv); %-------------------------------------------------------------------- --- %Tc; T a condition quelconque
  • 28. 27 %G; l'intensité a condition quelconque %dIpv variation de courant en fonction des conditions climatiques %dVpv variation de tension en fonction des conditions climatiques Tstc=25; %T a condition standard Gstc=1000;% insolation a condition standard a=1.4e-3 ;%alpha(sc) coefficient de température d'incrémentation du courant Isc quand la température de surface augment de un degré {A/C} b=-152e-3;%beta(oc) coefficient de température d'incrémentation du courant Voc quand la température de surface augment de un degré {V/C} Rs=0.614 ; %résistance série %l'effet de Température sur PV for Tc=0:25:75 G=1000; dTc=Tc-Tstc; dIpv=a*(G/Gstc)*dTc+(G/Gstc-1)*Isc; dVpv=-b*dTc-Rs*dIpv; Vnouv=Vpv+dVpv; Inouv=Ipv+dIpv; Pnouv=Vnouv.*Inouv; for i=1:size(Inouv,2) if Inouv(i)<0 Inouv(i)=0; end end for i=1:size(Vnouv,2) if Vnouv(i)<0 Vnouv(i)=0; end end for i=1:size(Pnouv,2) if Pnouv(i)<0 Pnouv(i)=0; end end figure(3) hold on plot(Vnouv,Inouv); figure(4) hold on plot(Vnouv,Pnouv); end
  • 29. 28 %l'effet de l'irradiation sur PV for G=200:200:1000 T=25; dTc=Tc-Tstc; dIpv=a*(G/Gstc)*dTc+(G/Gstc-1)*Isc; dVpv=-b*dTc-Rs*dIpv; Vnouv=Vpv+dVpv; Inouv=Ipv+dIpv; for i=1:size(Inouv,2) if Inouv(i)<0 Inouv(i)=0; end end for i=1:size(Vnouv,2) if Vnouv(i)<0 Vnouv(i)=0; end end for i=1:size(Pnouv,2) if Pnouv(i)<0 Pnouv(i)=0; end end figure(5) hold on plot(Vnouv,Inouv); figure(6) hold on Pnouv=Vnouv.*Inouv; plot(Vnouv,Pnouv),title('influence de lirradiation'); end
  • 30. 29 Conclusion générale D’après tout ce que nous avons vu dans les chapitres précédents, la puissance d’un générateur photovoltaïque dépend de plusieurs paramètres comme la température, l’intensité lumineuse, et la nature de charge, et afin extraire le maximum puissance disponible au borne de la générateur photovoltaïque et pour améliorer le rendement des système PV, nous avons utilisé des méthodes d’adaptation comme la méthode de courant en court-circuit, la tension en circuit ouvert, la méthode d’observation & perturbation, la méthode de conductance incrémental. Mais ces méthodes sont des méthodes classique, donc il faut améliore le comportement de ces méthodes au niveau de temps calcul (la recherche de PPM) c.-à-d. amélioration de la rapidité de système pour convergence très vite vers la puissance maximal, on peut attendre ce but on utilisant des nouveaux algorithmes comme MPPT a base de réseaux de neurones artificiels ou à base de la logique floue. ‘
  • 31. 30 Bibliographie [1] F.HANANOU, ROUABAH AICHA, «Modélisation et simulation d’un système Photovoltaïque» UNIVERSITE KASDI MERBAH OUARGLA 2013/2014 [2] Angel Cid Pastor. Conception et réalisation de modules photovoltaïques électroniques. Micro et nanotechnologies/Microélectronique. INSA de Toulouse, 2006. Français. [3] R.M.Erahi-CHENNI «amélioration de la commande P&O par une détection synchrone du courant de batterie» Revue de ICESD, P (113-121) 2011