etude et simulation d’un systeme hybride … · remerciements remerciements avant tout, je...

الجمـهوريــة الجزائريــة الديمقراطيــة الشعبيــةREPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE

……………………………………………………………………….………………………………………………………………

Mémoire

Présenté en vue de l’obtention du

Diplôme de Master en Electrotechnique

Option Gestion et Transformation de l’Energie Electrique

Thème

ETUDE ET SIMULATION D’UN SYSTEME

HYBRIDE PHOTOVOLTAÏQUE-EOLIEN

Encadreur:

Dr. NABTI KHALIL Présenté par:

Dr. BELATEL MIMI ZIGHA ALI

Promotion 2013/2014

MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA

RECHERCHE SCIENTIFIQUE

UNIVERSITE CONSTANTINE I

FACULTE DES SCIENCES DE LA

TECHNOLOGIE

DEPARTEMENT:ELECTROTECHNIQUE

يـث العلمــي و البحــم العالــوزارة التعلي

1 ةـــــــــة قسنطينـــــــجامع

ةكلـيــةعلوم التكنولوجي

يالكتروتقن: قسم

Dédicace

Dédicace

Je dédie ce Mémoire

A mes très chers parents, dont l'incommensurable

contribution à mon éducation, à mon instruction et à

tous les instants de ma vie, ravivera jusqu'à la fin de

mes jours mon infinie tendresse.

Mon petit frère Nasserddine

Mon frère Hassen et à sa femme et sa fille Sérine

Ma sœurs Hannan et sa petite famille son mari adel

et ses petits Hayteme et Issam

A toute ma famille

A tous mes amis

Tous ceux qui me sont chers.

Ali

Remerciements

Remerciements Avant tout, Je remercie ALLAH le Tout-puissant de m’avoir

donné la santé , le courage, la volonté et la patience de mener à terme

ce présent travail dans des meilleures conditions.

Je tiens à exprimer ma profonde gratitude en premier lieu à

mon encadreur, Dr : KHALIL-NABTI, pour son Encadrement, ses directives

et sa disponibilité. Aussi, je le remercie pour ses Encouragements, son

indulgence, et sa sympathie.

Egalement, je remercie mon co-encadreur , Dr : BELATEL-MIMI

Je remercie vivements M r . LABED DJAMEL professeur à

l’université de constantine, a bien voulu présider ce jury de memoire.

J’adresse aussi mes remerciements à les autres membres du jury

pour l’honneur de bien vouloir apporter leur jugement à notre travail .

Je souhaite également remercie, l’ensemble des enseignant de

departement d’électrotechnique de Constantine et particulièrement ceux

qui ont participé à notre formation.

Enfin, je ne saure terminer ce remerciement, sans mentionner tous

cieux Qui de prés ou de loin ont contribué à rende cette expérience des

plus en particulier le plan humain.

Sommaire

Introduction générale......................................................................................................................................1

Chapitre I : Généralité sur les systèmes éolien et photovoltaïque

I.2. GENERALITES SUR LES SYSTEMES SOLAIRES .........................................................................5

I.2.1. GISEMENTS SOLAIRES....................................................................................................................6

I.2.1.1. Le spectre solaire................................................................................................................................6

I.2.1.2. Rayonnement solaire..........................................................................................................................7

I.2.2. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE.............................................................8

I.2.2.1. La cellule photovoltaïque...................................................................................................................8

I.2.2.2. Le module photovoltaïque ................................................................................................................9

I.2.3. SECTEURS D'APPLICATIONS.........................................................................................................9

I.2.4. LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS.............................................................................10

I.2.4.1. Les avantages.....................................................................................................................................10

I.2.4.2. Les inconvénients..............................................................................................................................10

I.3. GENERALITES SUR LES SYSTEMES EOLIENS...........................................................................10

I.3.1. DEFINITION DU SYSTEME EOLIEN............................................................................................10

I.3.2. LES DIFFERENTS TYPES D’UN SYSTEME EOLIEN................................................................11

I.3.2.1. Les éoliennes à axe vertical..............................................................................................................11

I.3.2.2. Les éoliennes à axe horizontal..........................................................................................................11

I.3.3. LES PRINCIPAUX COMPOSANTS D’UN SYSTEME EOLIEN.................................................12

I.3.4. L’ENERGIE CINETIQUE DU VENT...............................................................................................13

I.3.4.1. La vitesse relative...............................................................................................................................13

I.3.4.2. Le coefficient de puissance................................................................................................................14

I.3.4.3. Le coefficient de couple......................................................................................................................14

I.3.5. TYPES D’AEROGENERATEUR DANS LES SYSTEMES EOLIENS.........................................15

I.3.5.1. Générateur Asynchrone(IG).............................................................................................................15

I.3.5.2. Générateur Synchrone(SG)..............................................................................................................15

I.3.5.3. La Génératrice électrique à courant continu.................................................................................16

I.3.5.4. La Génératrice à structures spéciales.............................................................................................16

I.3.6. UTILISATION DES SYSTEMES EOLIENS....................................................................................16

I.3.7. AVANTAGE ET DESAVANTAGE D’UN SYSTEME EOLIEN....................................................17

I.3.7.1. Les avantage.......................................................................................................................................17

I.3.7.1. Les inconvénients...............................................................................................................................17

I.4. CONCLUSION........................................................................................................................................18

Chapitre II : Modélisation des différents éléments des chaines de conversion

II.1. INTRODUCTION.................................................................................................................................20

II.2. MODELISATIONETSIMULATION CHAINE PHOTOVOLTAIQUE........................................20

II.2.1. MODELE ELECTRIQUE DE LA CELLULE PV.........................................................................20

II.2.2. PARAMETRE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES...........................................................21

II.2.2.1. Courant de court-circuit, ICC........................................................................................................21

II.2.2.2. Tension à circuit ouvert, VCO........................................................................................................21

II.2.2.3. Facteur de forme..............................................................................................................................21

II.2.2.4. Rendement d’une cellule solaire.....................................................................................................22

II.2.3. CARACTERISTIQUE I(V) ET P(V)................................................................................................22

II.2.4. INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES.......................................................................22

II.2.4.1. Influence de l’éclairement...............................................................................................................22

II.2.4.2. Influence de la température............................................................................................................23

II.2.5. MODELISATION DE L’HACHEUR SURVOLTEUR..................................................................23

II.2.5.1. Principe de fonctionnement.............................................................................................................24

II.2.5.2. Commande du hacheur survolteur.................................................................................................25

II.3. MODELISATION ET SIMULATION DE LA CHAINE EOLIEN..................................................26

II.3.1. MODELE DU VENT..........................................................................................................................27

II.3.2. MODELISATION DE LA TURBINE EOLIENNE.........................................................................27

II.3.3. MODELE DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANT PERMANENT.................................28

II.3.4. MODELISATION DU REDRESSEUR MLI....................................................................................29

II.3.5. RESULTATS DE SIMULATION......................................................................................................30

II.3.5.1. Simulation de la turbine...................................................................................................................30

II.3.5.2. Simulation de la génératrice synchrone a aimant permanent......................................................31

II.4. CONCLUSION........................................................................................................................................32

Chapitre III : Mise en parallèle des deux chaines de production

III.1. INTRODUCTION.................................................................................................................................34

III.2. MODELISATION DE L’ONDULEUR DE TENSION [43]...........................................................34

III.2.1. COMMANDE DE L’ONDULEUR DE TENSION [43].................................................................35

III.3. COUPLAGE DE LA CHARGE AVEC LE SYSTEME PHOTOVOLTAÏQUE...........................36

Résultats de simulation..................................................................................................................................37

III.4. COUPLAGE DE LA CHARGE AVEC LE GENERATEUR EOLIEN.......................................38

Résultats de simulation..................................................................................................................................38

III.5. COUPLAGE LA CHARGE AVEC LES DEUX GENERATEURS

(EOLIEN-PHOTOVOLTAÏQUE)................................................................................................................39

III.6. AMELIORATION DE LA TENSION ET DU COURANT DE LA CHARGE

PAR UN FILTRE LC.....................................................................................................................................41

Résultats de simulation....................................................................................................................................43

III.7. CONCLUSION.....................................................................................................................................45

Conclusion générale.........................................................................................................................................46

Chap 1

: Longueur d’onde (m) ;

ℎ : C onstante de Planck ;

: Vitesse de la lumière (m/s).

: Puissance captée par la turbine éolienne (W)

S : Surface balayée par la turbine éolienne (m2)

: Masse volumique de l’air (kg.m-3

), dont la valeur dépend de la hauteur.

Chap 2

: Courant de jonction

: Courant dans la résistance

: photocourant.

: Courant de saturation.

q : charge de l’électron.

k : constante de Boltzmann.

A : facteur d’idéalité relatif au module.

: Température de cellules.

: Résistance série et : résistance shunt.

: la masse volumique de l’air (kg/m3)

:la surface utile traversée par le vent

:la vitesse du vent (m/s)

: le rayon de la voilure (m).

:la vitesse angulaire de rotation des pâles (rad/s).

: Le couple électromagnétique de la génératrice [N.M]

: Le couple éolien [N.M]

: Frottement visqueux de la machine.

: Moment d’inertie de la turbine.

: Flux des aimants permanents.

: L’angle électrique.

: L’angle mécanique.

P : Nombre de paires de pôles.

: Vitesse angulaire (pulsation électrique)

: Vitesse mécanique.

J : Moment d’inertie de la partie tournante.

f : Coefficient de frottement visqueux.

Introduction

générale

Introduction générale

2

Depuis le début du siècle, la consommation énergétique mondiale est en très forte croissance dans

toutes les régions du monde. Il semble que tendanciellement, les consommations d'énergie vont continuer

à augmenter, sous l'effet de la croissance économique d'une part, et de l'augmentation de la

consommation d’électricité par habitant d'autre part, quels que soient les cas de figures envisagés. Par

ailleurs, les pays en voie de développement auront besoin de plus en plus d’énergie pour mener à bien

leur développement.

Pour cela les énergies renouvelables apparaissent à nos jours et à long terme comme la solution

adéquate qui couvre ce besoin énergétique en diminuant l’inconvénient majeur émis par les énergies

fossiles puisque une grande partie de la production mondiale d’énergie est assurée à partir du : charbon,

gaz naturel, pétrole et l’uranium ....

Les énergies renouvelables sont des énergies dont la source est illimitée et non polluante et dont

l'exploitation cause le moins de dégâts écologiques, c'est à dire: l'ensoleillement, le vent, le mouvement

de l'eau dans les cours d'eau ou les mers, les matières organiques et la chaleur des entrailles de la terre (les

spécialistes ne s'accordent pas tous sur la renouvelabilité de la géothermie).

Elles sont devenues une forme d'énergie indispensable par leur souplesse, la simplicité

d'utilisation et la multiplicité des domaines d'activités où elles sont appelées à jouer un rôle. Ces modes de

production ainsi que les moyens de distribution associés sont amenés à subir de profonds changements au

cours des prochaines décennies.

En Algérie et dans le cadre de la politique énergétique nationale, la mission dévolue au secteur de

l’énergie est de fournir à l’ensemble de la population, sur tout le territoire national, l’énergie dans les

meilleures conditions en termes de qualité et de continuité de service. Par ailleurs, la satisfaction de ces

besoins obéit à une préoccupation d’optimisation des coûts de mise à disposition de l’énergie et ce, pour

sauvegarder les ressources de la collectivité nationale.

Du fait de la large disponibilité des hydrocarbures et de leur faible coût de mise à disposition, par

rapport aux énergies renouvelables, les besoins énergétiques de l’Algérie sont satisfaits, presque

exclusivement, par le pétrole et le gaz naturel. Ceci n’exclu pas l’intérêt des énergies renouvelables qui

est sous-tendu par les avantages de celles-ci:

- dispersion dans l’espace. Elles peuvent, par conséquent, être utilisées partout où elles se trouvent.

- un potentiel important, particulièrement le solaire. L’Algérie est le premier gisement du bassin

méditerranéen

- caractère non polluant.

Du fait de ces avantages et de certaines contraintes qui les caractérisent, notamment en termes de

coûts, le rôle qui est dévolu aux énergies renouvelables, dans le cadre de la politique énergétique

nationale, est de répondre à la demande énergétique sur les sites isolés et loin des réseaux d’électricité

[46]. Électrification au solaire des villages du grand sud, etc.…) que dans d’autres secteurs de l’économie

nationale (balisage des routes, pompage de l’eau, etc.…)

Pour répondre a ces préoccupations, de plus en plus de pays mettent en place des politiques incitant

a l’économie de l’énergie, mais aussi a la production d’énergie grâce a d’autres moyens souvent qualifies

de (propres) en référence au fait qu’il ne génère pas de dioxyde de carbone. Ces moyens de production

sont principalement issus des énergies renouvelables, c’est-a-dire dont les ressources sont inépuisables

par nature. Parmi celles-ci on peut citer l’énergie éolienne (issue du vent), et l’énergie (solaire).

Pour atteindre cet objectif, nous avons scindé notre mémoire en trois chapitres :

Introduction générale

3

-Le premier chapitre présente et expose un bilan des différentes parties et différentes structures

rentrant dans le cadre de la production photovoltaïque et éolienne, les avantages et les inconvénients de

chaque système de production.

- Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation des différents éléments des deux chaines de

production, pour qu'on puisse les traduire sous forme de programme de simulation (Matlab/Simulink).

Une tache très essentielle nous permet de prés dire l'évolution de ces systèmes et problème a rencontrés

lors de la réalisation pratique.

- Le troisième chapitre nous avons consigné une technique de connexion des deux chaines de

conversions, et on les reliant avec une charge de type réseau isolé passif par l'intermédiaire d'un

convertisseur statique qui nous permet de reconditionner les paramètres de notre chaine globale. Pour

respecté la qualité de l'énergie fournée, un filtre passif de type LC est intégré.

Enfin, nous conclurons ce modeste travail par un rappelle concerne les principaux résultats

obtenus et on donnera les éventuelles perspectives envisagées.

Chapitre I

Chapitre I Généralité sur les systèmes éolien et photovoltaïque

5

I.1. INTRODUCTION

Parmi les sources d’énergie disponibles dans notre environnement proche et permettant de produire

de l’électricité on a : l’eau, le soleil et le vent.

Le développement et l’exploitation des énergies renouvelables ont connu une grande augmentation

ces dernières années. 20-30 ans avant, les systèmes de production énergétiques sont basés sur l’utilisation

rationnelle des sources traditionnelles et sur un recours accru aux énergies renouvelables, on mentionne

comme systèmes qui fonctionnent avec les énergies renouvelables les systèmes éoliens fonctionnant à

base du vent et les systèmes solaires fonctionnant à base d’énergie solaire. Les plus intéressantes

technologies des systèmes précédant on va étudier: éoliens à axe horizontal et solaires photovoltaïque.

Dans ce premier chapitre, nous allons décrire les différents caractéristiques des deux énergies

renouvelables étudiée dans ce mémoire : le solaire et l’éolien. On va essayer de donner un aperçu général

sur les systèmes solaire photovoltaïques plus les systèmes éoliens à axe horizontal. On va essayer aussi de

rassembler les deux afin d’obtenir le système hybride.

Evaluation des énergies renouvelables en Algérie:

Le potentiel des énergies renouvelables en Algérie est le plus important d’Afrique du Nord. Le

marché des énergies renouvelables est prometteur et leur promotion constitue l’un des axes de la politique

énergétique et environnementale du pays. Parmi les objectifs affichés par les pouvoirs publics, le marché

local doit atteindre 600 W en 2015, amenant la part de l’électricité produite par les énergies

renouvelables à 6% de l’électricité totale produite [1].

Fig. I.1 : Carte préliminaire des irradiations solaire de l'Algérie [19]

I.2. GENERALITES SUR LES SYSTEMES SOLAIRES

L’énergie solaire est la ressource énergétique la plus abondante sur terre. Elle est à l’origine de la

majorité des énergies renouvelables, mais elle est très atténuée.


6

Le rayonnement solaire peut être utilisé pour produire soit directement de l'électricité à l'aide de

semi conducteur photovoltaïque, soit de la chaleur solaire thermique pour le chauffage ou la production

électrique [1].

L’énergie solaire se présente bien comme une alternative aux autres sources d’énergie, elle

représente un potentiel considérable; en effet, la terre reçoit plus de 3000 h de lumière solaire par année

avec un haut niveau d’éclairement. Avec une optimisation des angles de réception, la moyenne annuelle

journalière est de 5 à 7 kWh /m2/jour [25].

L’Algérie dispose d’environ 3200 heures d’ensoleillement par an, bénéficiant d’une situation

climatique favorable à l’application des techniques solaires.

I.2.1. GISEMENTS SOLAIRES

I.2.1.1. Le spectre solaire

Le spectre solaire et la distribution spectrale en fonction de la longueur d'onde () ou de la

fréquence (n).

Le Soleil émet un rayonnement électromagnétique compris dans une bande de longueur d’onde qui

varie entre de 0,22 à 10 m.

La figure (I.2) représente la variation de la répartition spectrale énergétique. L’énergie associée à ce

rayonnement solaire se décompose approximativement ainsi :

6,4% dans la bande des ultraviolets (0,20< <0,38 m).

48% dans la bande visible (0,38< <0,78 m).

45,6% dans la bande des infrarouges (0,78< <10 m).

Fig. I.2: Analyse spectrale du rayonnement solaire [17]


7

I.2.1.2. Rayonnement solaire

Le rayonnement solaire est constitué de photons dont la longueur d’onde s’étend de l’ultraviolet

(2,5 ) à l’infrarouge lointain (3 ), et transportant chacun une énergie ℎ, qui répond elle même

à la relation suivante :

ℎ ℎ

(I.1)

D’après l’équation (I.1), l’énergie transportée par un photon est inversement proportionnelle à sa

longueur d’onde, c.-à-d. plus la longueur d’onde est courte, plus l’énergie du photon est grande. On utilise

la notion AM (pour Air Mass) afin de caractériser le spectre solaire en termes d’énergie émise [5].

L’énergie totale transportée par le rayonnement solaire sur une distance soleil - terre est de l’ordre

de 1350W/m² (AM0) dans l’espace hors atmosphère terrestre (Voir Figure. I.3).

Fig. I.3: Normes de mesures du spectre d’énergie lumineuse émis par le soleil, notion d’AM [33].

L’ensoleillement correspond à l’intensité du rayonnement solaire reçu sur un plan à un moment

donné. Il s’exprime habituellement en watts par mètre carré (W/m2), l’ensoleillement varie de zéro, au

lever du Soleil, à sa valeur maximale, typiquement au midi solaire.

Il y a quatre types de rayonnement:

Le rayonnement direct est le rayonnement reçu directement du Soleil.

Le rayonnement diffus est le rayonnement provenant de toute la voûte céleste. Ce

rayonnement est dû à l’absorption et à la diffusion d’une partie du rayonnement solaire par

l’atmosphère et à sa réflexion par les nuages.

Le rayonnement solaire réfléchi ou l’albédo du sol est le rayonnement qui est réfléchi par le sol ou

par des objets se trouvant à sa surface.

Le rayonnement global est la somme de tous les rayonnements reçus, y compris le rayonnement

réfléchi par le sol et les objets qui se trouvent à sa surface. Il est mesuré par un pyranomètre, La

Figure (1.4) présente les trois rayonnements incidents sur un plan. [17]


8

Fig. I.4: Les trois composantes du rayonnement incident sur le capteur [21]

I.2.2. PRINCIPE DE LA CONVERSION PHOTOVOLTAÏQUE

La conversion de l’énergie solaire en énergie électrique repose sur l’effet photovoltaïque, c’est-à-

dire sur la capacité des photons à créer des porteurs de charge (électrons et trous) dans un matériau.

Lorsqu’un semi-conducteur est illuminé avec un rayonnement de longueur d’onde appropriée, l’énergie

des photons absorbés permet des transitions électroniques depuis la bande de valence vers la bande de

conduction du semi-conducteur, générant ainsi des paires électron-trou, qui peuvent contribuer au

transport du courant par le matériau lorsqu’on le polarise. [17]

I.2.2.1. La cellule photovoltaïque

Une cellule photovoltaïque est un capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant

l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement

de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement lumineux par des matériaux semi-

conducteurs. Ainsi, le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des

propriétés physiques de certains de leurs électrons susceptibles d’être libérés de leurs atomes lorsqu’ils

sont excités par des photons provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d’énergie

selon leurs longueurs d’onde. Une fois libérés, ces charges se déplacent dans le matériau formant

globalement un courant électrique de nature continu (DC). La circulation de ce courant donne alors

naissance à une force électromotrice (fem) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au

phénomène physique appelé effet photovoltaïque. La figure (I.5) illustre la constitution d’une cellule

photovoltaïque. [20]


9

Fig. I.5: présentation schématique d’une cellule solaire [16]

Comparable à une diode utilisée classiquement en électronique, une cellule PV peut être réalisée à

partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore).

Entre les deux zones se développent une jonction PN avec une barrière de potentiel. La zone N est

couverte par une grille métallique qui sert de cathode (contact avant) et surtout de collecteurs d’électrons,

tandis qu’une plaque métallique (contact arrière) recouvre l’autre face du cristal et joue le rôle d’anode

[20].

I.2.2.2. Le module photovoltaïque

Pour produire plus de puissance, les cellules solaires sont assemblées pour former un module

(figure I.6). Les connections en série de plusieurs cellules augmentent la tension pour un même courant,

tandis que la mise en parallèle accroît le courant en conservant la tension.

Fig. I.6: Module PV constitue par NS cellules en série et NP cellules en parallèle

Les modules sont généralement entourés d’un cadre rigide en aluminium anodisé comprenant des

trous de fixation [23].

I.2.3. SECTEURS D'APPLICATIONS

Domaine spatial : C'est de loin le secteur le plus ancien puisque les premières utilisations de cellules

solaires pour des engins spatiaux (satellites,...) remontent aux années soixante.

Habitation isolée : L'approvisionnement en électricité dans les régions rurales isolées est un

problème d'actualité, en particulier dans les pays en voie de développement.


10

Industrie isolée : La technologie photovoltaïque est de plus en plus couramment intégrée dans les

programmes nationaux d'électrification rurale (habitations domestiques, écoles, centres de santé,

télécommunication, ...).

Centrale de puissance : Avec les applications photovoltaïques connectées au réseau d'électricité

national, une nouvelle tendance se dégage; elle est caractérisée par un fort potentiel de diffusion dans

les pays industrialisés. [22]

I.2.4. LES AVANTAGES ET LES INCONVENIENTS

I.2.4.1. Les avantages

La technologie photovoltaïque présente un grand nombre d'avantages.

D'abord, une haute fiabilité – elle ne comporte pas de pièces mobiles qui la rendent

particulièrement appropriée aux régions isolées. C'est la raison de son utilisation sur les engins spatiaux.

Ensuite, le caractère modulaire des panneaux photovoltaïques permet un montage simple et

adaptable à des besoins énergétiques divers.

Leurs coûts de fonctionnement sont très faibles vu les entretiens réduits et ils ne nécessitent ni

combustible, ni transport, ni personnel hautement spécialisé.

Enfin, la technologie photovoltaïque présente des qualités sur le plan écologique car le produit fini

est non polluant, silencieux et n'entraîne aucune perturbation du milieu. [29]

I.2.4.2. Les inconvénients

Le système photovoltaïque présente toutefois des inconvénients.

La fabrication du module photovoltaïque relève de la haute technologique et requiert des

investissements d'un coût élevé.

Le rendement réel de conversion d'un module est faible.

Les générateurs photovoltaïques ne sont compétitifs par rapport aux générateurs Diesel que pour

des faibles demandes d'énergie en région isolée [22].

I.3.GENERALITES SUR LES SYSTEMES EOLIENS

I.3.1. DEFINITION DU SYSTEME EOLIEN

Un système éolien ou avec un autre terme un aérogénérateur ou encore une éolienne peut être

défini comme étant : un système composé d’éléments aptes à transformer une partie de l’énergie

cinétique du vent (fluide en mouvement) en énergie mécanique puis en énergie électrique par

l'intermédiaire d'une génératrice (Fig. I.7) [4].


11

Fig. I.7: Conversion de l'énergie cinétique du vent

La plupart des aérogénérateurs commerciaux, surtout les grands, sont à axe horizontal. La part de

marché représentée par les systèmes à axe vertical est minuscule. Les aérogénérateurs de grande taille

sont parfois construits isolément ou rassemblé s en groupes (parcs d’éoliennes) comportant dix éléments

ou plus, parfois même des centaines.

Les différents éléments d’une éolienne sont conçus d’une manière à maximiser la conversion

énergétique, pour cela, une bonne adéquation entre les caractéristiques couple/vitesse de la turbine et de

la génératrice électrique est nécessaire [7].

I.3.2. LES DIFFERENTS TYPES D’UN SYSTEME EOLIEN

I.3.2.1. Les éoliennes à axe vertical

Les éoliennes à axe vertical ont été les premières structures développées pour produire de

l’électricité paradoxalement en contradiction avec le traditionnel moulin à vent à axe horizontal. Elles

possèdent l’avantage d’avoir les organes de commande et le générateur au niveau du sol donc facilement

accessibles. Les principaux capteurs à axe verticale sont le rotor de Savonius, le rotor de Darrieux et le

capteur à ailes battantes. Il existe également les machines à trainée différentielle comme le moulinet, les

machines à écran et les machines à clapets battants.

Fig. I.8: Eoliennes à axe vertical [5]

I.3.2.2. Les éoliennes à axe horizontal

Les éoliennes à axe horizontal sont basées sur la technologie ancestrale des moulins à vent. Elles

sont constituées de plusieurs pales profilées aérodynamiquement à la manière des ailes d'avion. Dans ce


12

cas, la portance n'est pas utilisée pour maintenir un avion en vol mais pour générer un couple moteur

entraînant la rotation. Le nombre de pales utilisé pour la production d'électricité varie classiquement entre

1 et 3, le rotor tripale étant le plus utilisé car il constitue un compromis entre le coefficient de puissance,

le coût et la vitesse de rotation du capteur éolien.

Fig. I.9: Eoliennes à axe horizontal [6]

I.3.3. LES PRINCIPAUX COMPOSANTS D’UN SYSTEME EOLIEN

Il existe plusieurs configurations possibles d'aérogénérateurs qui peuvent avoir des différences

importantes mais généralement constituée de trois éléments principaux:

Le mât, généralement un tube d'acier ou éventuellement un treillis métallique, doit être le plus haut

possible pour éviter les perturbations près du sol. Toutefois, la quantité de matière mise en œuvre

représente un coût non négligeable et le poids doit être limité. Un compromis consiste généralement à

prendre un mât de taille très légèrement supérieure.

La nacelle regroupe tous les éléments mécaniques permettant de coupler le rotor éolien au

générateur électrique : arbres lent et rapide, roulements, multiplicateur. Le frein à disque, différent du

frein aérodynamique, qui permet d'arrêter le système en cas de surcharge. Le générateur qui est

généralement une machine synchrone ou asynchrone et les systèmes hydrauliques ou électriques

d'orientation des pales (frein aérodynamique) et de la nacelle (nécessaire pour garder la surface balayée

par l'aérogénérateur perpendiculaire à la direction du vent). A cela viennent s'ajouter le système de

refroidissement par air ou par eau, un anémomètre et le système électronique de gestion de l'éolienne.

(Fig. I.10) [4].

Le rotor, formé par les pales assemblées dans leur moyeu. Pour les éoliennes destinées à la

production d'électricité, le nombre de pales varie classiquement de 1 à 3, le rotor tripale (concept danois)

étant de loin le plus répandu car il représente un bon compromis entre le coût, le comportement vibratoire,

la pollution visuelle et le bruit [15].


13

Fig. I.10: Constitution d'une nacelle [10]

I.3.4. L’ENERGIE CINETIQUE DU VENT

Les systèmes de conversion d’énergie éolienne transforment l’énergie cinétique du vent en énergie

mécanique sur la turbine éolienne puis en énergie électrique via un aérogénérateur. L’énergie dE d’une

colonne d’air de longueur dl, de section S, de masse volumique animée d’une vitesse V (voir Figure.

I.11) peut s’écrire: [12]

Fig. I.11 : Conversion aérodynamique en énergie électrique [4]

En supposant que , on tire l’expression de la puissance P de la masse d’air traversant la

section S et se déplaçant à la vitesse V:

En réalité, la puissance récupérée par une voilure éolienne est seulement un pourcentage de cette

puissance. Pour cela, nous allons présenter des notions fondamentales sur la conversion aérodynamique

dans les parties suivantes: [12]

I.3.4.1. La vitesse relative

Le coefficient de vitesse réduite est un facteur spécifique des aérogénérateurs, il est défini comme

le rapport de la vitesse tangentielle en bout de pales sur la vitesse instantanée du vent V alors :


14

I.3.4.2. Le coefficient de puissance

Comme nous avons vue précédemment, on ne peut pas capter en totalité la puissance fournie par la

masse d’air ( ), cela supposerait une vitesse de vent nulle après l’organe capteur. On définit le coefficient

de puissance comme suit :

Ainsi, la puissance éolienne est déterminée analytiquement par formule suivante :

Le coefficient Cp est une grandeur variable en fonction de , la valeur maximale théorique

possible du coefficient de puissance, appelée limite de Betz, est de

.

Le coefficient de puissance est différent pour chaque type de turbine comme indiqué sur la

Figure(I.12):

Fig. I.12: Coefficient de puissance pour différents types de turbine [6]

I.3.4.3. Le coefficient de couple

Le coefficient de couple est explicitement nécessaire afin de calculer la valeur des couples produits

pour différents points de fonctionnement. En effet, au démarrage, il y a bien un couple sur l’arbre dû à la

force du vent sur les pales tandis que la puissance est nulle, ce qui correspond à une valeur de Cp nulle.

L’expression du couple est la suivante :


15

Et alors, la valeur du coefficient de couple CT est déterminée par la formule suivant :

Le coefficient CT s’exprime, comme le coefficient Cp, en fonction de la vitesse du vent V et de la

vitesse de rotation de la turbine Ω, donc en fonction de la vitesse relative . [3]

I.3.5. TYPES D’AEROGENERATEUR DANS LES SYSTEMES EOLIENS

L’application la plus fréquente des turbines éoliennes est aujourd’hui la production d’électricité.

Pour cela, l’utilisation d’une machine électrique est indispensable.

I.3.5.1.Générateur Asynchrone(IG)

Le principe de fonctionnement d’une génératrice asynchrone [2] peut être traduit comme suit: C'est

une machine à induction asynchrone qui transforme de l'énergie mécanique en énergie électrique. Pour

réaliser la génération de l’énergie électrique la machine doit être entraînée au-delà de la vitesse de

synchronisme (variable suivant la charge) le cas d’une génératrice à cage d’écureuil [7].

Le générateur à induction est largement utilisé dans les turbines éoliennes de moyenne et grande

puissance en raison de sa robustesse.la connexion directe au réseau de ce type de machine est bien plus

douce grâce à la variation du glissement se produisant entre le flux du stator et la vitesse de rotation du

rotor, sa simplicité mécanique et son coût réduit. Son inconvénient majeur est la consommation d’un

courant réactif de magnétisation au stator [9] [11].

I.3.5.2.Générateur Synchrone(SG)

L’avantage du générateur synchrone sur l’IG est l’absence de courant réactif de magnétisation.

Celui-ci est créé par des bobines ou par des aimants permanents, placés sur le rotor tournant induisant un

courant dans le stator bobiné. Cette génératrice étant indépendante du réseau, elle fournit une fréquence

variable en fonction de la vitesse de rotation, donc de la vitesse du vent. Le raccordement au réseau, qui

lui exige une fréquence fixe, s'effectue par un convertisseur qui comporte un étage redresseur, un bus

continu et un onduleur : on reconstruit donc une onde sinusoïdale parfaite, ce qui permet aussi de gérer

plus facilement la qualité de l'énergie produite. (Fig. I.13), la régulation de puissance s'effectue en partie

au niveau de ce convertisseur. Lequel permet un fonctionnement à vitesse variable. Pour des unités de

petites tailles.

Le générateur synchrone à aimants permanents (PMSG) est plus simple est moins coûteux avec la

caractéristique d’auto excitation qui permet de fonctionner avec un facteur de puissance élevé et un bon

rendement, ce qui le rend propice à l’application à des systèmes de génération éolienne


16

Fig. I.13: Système avec GS pour un fonctionnement à vitesse variable [9]

I.3.5.3.La Génératrice électrique à courant continu

La génératrice à courant continu (à excitation séparée) est une machine tournante qui transforme de

l’énergie mécanique en énergie électrique apparaissant sous forme de tension et courant continu. Elle

comporte deux circuits bobinés (figure I.14):

1. L’un est un circuit inducteur, porté par le stator, et il crée un champ de direction fixe sous les

pôles de la machine ; il est pour cela appelé «circuit de champ» ou encore «circuit d’excitation».

2. L’autre est un circuit induit ou circuit d’arma ture, porté par l’armature du rotor ; il crée des

forces électromotrices induites ‘F.E.M’.

Fig. I.14 : Schémas équivalent électrique d’une génératrice à courant continu à excitation séparée.

I.3.5.4.La Génératrice à structures spéciales:

Des machines à structures spéciales avec un principe de fonctionnement spécial aussi. Le but de

leurs fabrications est la réponse au besoin actuel, mentionnant par exemple : la machine à réluctance

variable, la Machine Asynchrone Double Stator, …etc. [7].

I.3.6.UTILISATION DES SYSTEMES EOLIENS

La technologie des systèmes éoliens, très fiable et très souple, depuis des siècles, de multiples

usages :

− Le pompage de l’eau: Depuis des générations, on utilise le vent comme source d’énergie fiable et

économique dans les systèmes de pompage de l’eau. Dans les régions rurales ou éloignées.


17

− Fermes et ranchs: Les fermiers utilisent le vent pendant des siècles pour pomper eau. Les systèmes

éoliens peuvent, de nos jours, rendre encore plus de services dans une exploitation agricole moderne.

Comme ils représentent la solution idéale lorsqu’on a besoin d’électricité à basse tension dans des

endroits éloignés.

− Usage domestique: Les habitants de la campagne, désireux de réduire l’effet indésirable sur

l’environnement de leur consommation d’énergie, peuvent restreindre leur dépendance par rapport au

réseau d’électricité en utilisant un système éolien [7].

I.3.7. AVANTAGE ET DESAVANTAGE D’UN SYSTEME EOLIEN

La croissance de l’énergie éolienne est évidemment liée aux avantages de l’utilisation de ce type

d’énergie.

I.3.7.1. Les avantage

L'énergie éolienne est une énergie renouvelable propre, gratuit, et inépuisable :

- Chaque mégawatheure d’électricité produit par l’énergie éolienne aide à réduire de 0,8 à 0,9

tonne les émissions de CO2 rejetées chaque année.

- L'énergie éolienne n'est pas non plus une énergie à risque comme l'énergie nucléaire et ne produit

pas de déchets toxiques ou radioactifs.

- L'exploitation de l'énergie éolienne n'est pas un procédé continu puisque les éoliennes en

fonctionnement peuvent facilement être arrêtées.

- La durée de vie des éoliennes modernes est maintenant de 20 à 25 ans, ce qui est comparable à de

nombreuses autres technologies de production d'énergie conventionnelles.

- L’énergie est également très intéressante pour les pays en voie de développement. Elle répond au

besoin urgent d'énergie qu'ont ces pays pour se développer [8].

I.3.7.1. Les inconvénients:

Mêmes s’ils ne sont pas nombreux, l’éolien a quelques désavantages :

L’impact visuel. Ca reste néanmoins un thème subjectif.

Le bruit : il a nettement diminué, notamment le bruit mécanique qui a pratiquement disparu grâce

aux progrès réalisés au niveau du multiplicateur.

La qualité de la puissance électrique : la source d’énergie éolienne étant stochastique, la puissance

électrique produite par les aérogénérateurs n’est pas constante. La qualité de la puissance produite

n’est donc pas toujours très bonne.

Le coût de l’énergie éolienne par rapport aux sources d’énergie classiques : bien qu’en terme de

coût, l’éolien puisse sur les meilleurs sites, c’est à dire là où il y a le plus de vent, concurrencer la

plupart des sources d’énergie classique, son coût reste encore plus élevé que celui des sources

classiques sur les sites moins ventés [11].


18

I.4. CONCLUSION

Ce chapitre nous a permis de donner un aperçu général sur deux systèmes très populaires

actuellement dans le marché de la production d’énergie électrique d’origine renouvelable, les systèmes

éoliens et les systèmes solaires. La première partie et après un rappel des notions élémentaires nécessaires

à la compréhension de la chaîne de conversion de l'énergie cinétique du vent en énergie électrique, les

différents types d'éoliennes et leur principe de fonctionnement ont été décrits. La seconde partie du

chapitre a été consacrée aux systèmes solaires et plus précisément ceux d’origines photovoltaïques.

Chapitre II

Chapitre II : modélisation des différents éléments des chaines de conversion

20

II.1. INTRODUCTION

Dans ce chapitre, nous présenterons d’abord la modélisation de la chaîne de conversion d'énergie

photovoltaïque afin d’obtenir les différents caractéristiques du courant de la puissance en fonction de la

tension, ainsi que l’influence des paramètres sur le fonctionnement du système photovoltaïque. Puis

suivra de la chaîne de conversion d'énergie éolienne on tenant compte du modèle de la machine qui

convertie l’énergie cinétique du vent en énergie électrique ainsi que le convertisseur statique qui a pour

rôle d’adapter l’énergie d’entrée a la charge en sortie. Cette modélisation est nécessaire afin valider notre

étude théorique de la chaîne de conversion d'énergie hybridé (photovoltaïque-éolienne) a cause de

nécessité de la simulation du processus (Matlab Simulink).

II.2. MODELISATION ET SIMULATION CHAINE PHOTOVOLTAIQUE

II.2.1.MODELE ELECTRIQUE DE LA CELLULE PV

Une cellule solaire Photovoltaïque est une diode électronique PN de grande surface qui,

exposée à la lumière (photons), génère une tension électrique (volts), une cellule photovoltaïque idéale

peut être décrite de manière simple comme une source idéale de courant qui produit un courant

proportionnel à la puissance lumineuse incidente, en parallèle avec une diode. En addition au modèle

idéal, le modèle réel tient compte des propriétés résistives de la cellule qui sont modélisées par une

résistance série mais aussi des courants de fuites modélisés par une résistance shunt .

Fig. II.1 : Schéma électrique équivalent d'une cellule PV.

En notant: la loi des nœuds nous permettons d’écrire :

Le courant de jonction est donné par :

Le courant dans la résistance est donné par :

A partir de l’équation (II.1), on obtient l’expression de courant I :

Les équations (II.22) et (II.23) ont les remplacés dans (II.25) , l’équation caractéristique deviendra :

I

R

s

Rs

Rsh

I D

Rs

I D

Rs

V

R

s

Rs I r

R

s

I ph

Rs

Rsh

I D

Rs

V

R

s

Rs

Rsh V

R

s

Rs I r

R

s

I ph

Rs

Rs

R

s


21

Le modèle est basé sur le calcul des cinq paramètres de la fonction I = f (I, V) qui sont: , , ,

, et A . Ces paramètres sont déterminés à partir des données qui sont: le courant de court-circuit, ,

la tension à circuit ouvert, , le courant, , et la tension, au point de puissance maximale et les

pentes au voisinage de et de .

Supposant que la résistance parallèle est infinie ( ) l'équation (II.5) devienne:

L’équation (II.28) en termes de I et V n’est pas tellement facile à résoudre comparativement à

l’équation du circuit équivalent simplifié. Par conséquent une méthode numérique (Newton- Raphson)

doit être appliquée. [26] [27] [28].

II.2.2.PARAMETRE DES CELLULES PHOTOVOLTAÏQUES

Les paramètres des cellules photovoltaïques (ICC, VCO, FF et ηc …etc), extraits des caractéristiques

courant-tension, permettent de comparer différentes cellules éclairées dans des conditions identiques [25].

II.2.2.1. Courant de court-circuit, ICC

Il s’agit du courant obtenu en court-circuitant les bornes de la cellule (en prenant V= 0 dans le

schéma équivalent). Il croît linéairement avec ’l’intensité d’illumination de la cellule et dépend de la

surface éclairée, de la longueur d’onde du rayonnement, de la mobilité des porteurs et de la température

[25] .

On peut écrire :

II.2.2.2. Tension à circuit ouvert, VCO

La tension à circuit ouvert est obtenue quand le courant qui traverse la cellule est nul. Elle dépend

de la barrière d’énergie et de la résistance shunt. Elle décroît avec la température et varie peu avec

l’intensité lumineuse [25] .

On peut écrire :

II.2.2.3. Facteur de forme

On appelle facteur de forme FF (filling factor), le rapport entre la valeur maximale de la puissance

pouvant être extraite (Pmax = Imax .Vmax) de la photopile sous les conditions de mesures standardisées,

et le produit Icc.Vco où [25] :


22

Pour une cellule de fabrication industrielle, le facteur de forme est de l’ordre de 70%.

II.2.2.4. Rendement d’une cellule solaire

Le rendement est donné par le rapport de la puissance électrique maximale générée à la puissance

du rayonnement solaire incident [19] [18].

II.2.3.CARACTERISTIQUE I(V) ET P(V)

Pour un éclairement, une température et des paramètres de la cellule donnés, la relation du courant

en fonction de la tension est donnée par l’équation (II.28), qui est une équation non linéaire implicite et

doit être résolue numériquement. Les caractéristiques typiques courant-tension et puissance-tension

décrites par cette équation sont montrés dans la figure (II.2).

Fig. II.2 : Caractéristiques I(V) et P(V) pour un module.

La caractéristique I(V) nous montre que la cellule PV est une source de courant constant pour des

faibles valeurs de la tension avec un courant approximativement égal au courant de court circuit (Icc).

Avec l’augmentation de la tension, le courant commence à diminuer exponentiellement jusqu'à la valeur

zéro où la tension est égale à la tension de circuit ouvert (Vco). Sur la gamme entière de tension, il y a un

seul point où la cellule fonctionne au rendement le plus élevé; c’est le point de puissance maximum

(MPP).

Le but de la conception des systèmes photovoltaïques est faire fonctionner le system à ce point, ce

qui est compliqué par le fait que le point maximum de puissance change avec l'éclairement et la

température [22].

II.2.4.INFLUENCE DES DIFFERENTS PARAMETRES

II.2.4.1. Influence de l’éclairement

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

Tension [v]

Courant [A]

Point de puissance maximale

Puissance [w]


23

Dans la figure (II.3), nous représentons les résultats concernent les caractéristiques I(V) et P(V) du

module à 25°C obtenus pour divers valeurs de l’éclairement.

Fig. II.3 : Influence de l’éclairement sur les caractéristiques I(v) et p(v) à 25°c

Comparant avec les caractéristiques données par le constructeur [14], nous déduisons un bon

accord entre les caractéristiques réelles (expérimentales) et celles déduites par simulation sous MATLAB.

Pour chacun de différents éclairements correspond une puissance maximale que pourrait fournir le

panneau, notons aussi la légère diminution de la tension du circuit ouvert suite à la diminution du flux

lumineux. Aussi nous remarquons que le courant est directement proportionnel à l’irradiation à ces

niveaux d’éclairement.

II.2.4.2. Influence de la température

La température est un paramètre très important dans le comportement des cellules PV. La Figure

(II .4) décrit le comportement du module sous un éclairement fixe de 1000W/m², et à des températures

comprises entre 10°C, 25°C, et 40°C.

Fig. II.4: Influence de la température sur les caractéristiques I(V) et P(V) à G=1000W/m2

Nous remarquons que le courant augmente avec la température; par contre la tension de circuit

ouvert diminue. Ceci entraine une diminution de la puissance maximale disponible donc le rendement de

module diminue aussi.

II.2.5.MODELISATION DE L’HACHEUR SURVOLTEUR

Dans ce hacheur, la tension moyenne de sortie est supérieure à la tension d'entrée. Cette structure

demande un interrupteur commandé et en parallèle avec la source,

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tension(v)

puis

san

ce

(w)

G=1000 w/m²

G=600 w/m²

G=400 w/m²

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

5

6

tension(v)

cou

rant(

A)

G=400 w/m²

G=600 w/m²

G=1000 w/m²

0 5 10 15 20 250

1

2

3

4

5

6

t=40°c

t=25°c

t=10°c

0 5 10 15 20 250

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

tension[v]

puis

san

ce

[w]

t=40°c

t=25°c

t=10°c


24

II.2.5.1. Principe de fonctionnement

La figure (II.5) représente le principe de fonctionnement d’un hacheur survolteur qui est utilisé

pour :

- adopté le niveau de tension

-fait fonctionner le générateur photovoltaïque au point de puissance maximale.

Fig. II.5 : Schéma électrique du convertisseur

La modélisation de ce convertisseur basé sur l’analyse des différentes séquences de fonctionnement

que nous supposerons de durées fixées par la commande S.

Comme résultats on a deux séquences de fonctionnement selon l’état de l’interrupteur T, que nous

pouvons représenter chacune par une équation différentielle.

- Lorsque (T) est fermé:

- Lorsque (T) est ouvert:

En posant : - (S 1) pour T est fermé

- (S 0) pour T ouvert.

Nous pouvons représenter le convertisseur par un système d’équations unique, que nous qualifions

de modèle instantané. Nous considérons ici les interrupteurs parfaits.

Ce modèle est directement utilisable pour réaliser une simulation du convertisseur, dans un

environnement Simulink de MATLAB (figure II.6).


25

Fig. II.6 : Schéma bloc du hacheur survolteur.

II.2.5.2. Commande du hacheur survolteur

Concernant la commande du hacheur survolteur (figure II.6), on a mis en place :

- une commande de type cascade

-une régulation du courant dans la bobine par hystérésis

- une boucle de régulation de la tension Vdc.

A partir de l’erreur sur la consigne de courant et après passage dans un relais pour être entre 0 et 1

et ce signal sert directement de commande pour l’interrupteur (T) (figure II.5).

Notons que la boucle de tension assure une tension constante en sortie du convertisseur.

Dans la structure cascade, elle permet de générer la consigne de la boucle de courant. Cette boucle

de tension doit être lente par rapport à la boucle de courant. Le correcteur choisi est de type proportionnel

intégrale PI (figure II.7).

Fig. II.7 : Régulation de la tension du bus continu

La fonction de transfert en boucle ouverte du système vaut :

La fonction de transfert en boucle fermée du système est donc :

Soit les paramètres du régulateur de tension :


26

Typiquement on prend:

On alimente tout d’abord le hacheur avec une source de tension continue V, de valeur constante

égale à 530 V, le résultat de simulation est illustré par la figure (II.8).

Fig. II.8 La tension à la sortie d’un hacheur survolteur alimenté par une source continu

On remarque que la courbe de Vdc augmente jusqu’à atteindre sa tension de référence à 620V puis

il la suivre.

II.3. MODELISATION ET SIMULATION DE LA CHAINE EOLIEN

La modélisation de la chaîne de conversion éolienne est une étape primordiale dans la

compréhension du système éolien. Cette étape permet de premier lieu d’abord de comprendre le

comportement dynamique et l’interaction électromécanique de la génératrice. Avec le modèle approprié,

nous pouvons nous orienter facilement à une commande optimale.

Pour optimiser un système de conversion d'énergie, il est nécessaire de connaître les différents

organes de celui-ci et de la source d’énergie primaire. La Figure (II.9) rappelle le schéma synoptique

d’une chaîne éolienne. Celle-ci est constituée d’une voilure couplée directement à une génératrice

synchrone qui débite sur un bus continu via un redresseur MLI ;

Dans ce chapitre, on s’intéresse essentiellement à la modélisation de ses derniers [14] .

Fig. II. 9 : Structure d’une chaine de conversion éolienne [13]

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.60

100

200

300

400

500

600

700

800

Temp [s]

Te

ns

ion

[s

]

Vdc

Vdc ref


27

II.3.1.MODELE DU VENT

Le vent est le vecteur énergétique d’entrée d’une chaîne éolienne, déterminant pour le

calcul de la production de l’électricité, les propriétés dynamiques du vent sont capitales pour l’étude de

l’ensemble du système de conversion d’énergie car la puissance éolienne, dans les conditions optimales,

évolue au cube de la vitesse du vent. La vitesse du vent est un vecteur tridimensionnel. Néanmoins, la

direction du vecteur de vitesse du vent considéré dans ce modèle se limite à une dimension.

La vitesse du vent est généralement représentée par une fonction scalaire qui évolue dans le temps.

Elle sera modélisée, dans cette partie, sous forme déterministe par une somme de plusieurs harmoniques

[14].

II.3.2.MODELISATION DE LA TURBINE EOLIENNE

La turbine éolienne est représentée par une partie mécanique et une partie aérodynamique, elle

est aussi un dispositif qui transforme l’énergie cinétique du vent en énergie mécanique. Cette opération

basée sur l’énergie cinétique des particules de la masse d’air en mouvement passant par la section de la

surface active de la voilure [28].

La formule représente la puissance de la masse d’air qui traverse la surface équivalente à

la surface active de l’éolienne.

Pour décrire la vitesse de fonctionnement d’une éolienne, on utilise la vitesse réduite (spécifique)

qui est le rapport de la vitesse linéaire en bout de pales de la turbine ramenée à la vitesse de vent, soit:

En utilisant le coefficient de puissance , la puissance éolienne est calculée ainsi:

L’équation analytique de en fonction de résultant de l’interpolation est:

La figure (II.10) représente le tracé de la caractéristique

Fig. II.10.a: Courbe de la voilure [9] Fig. II.10.b: Courbe de la voilure étudiée.

0 1 2 3 4 5 6 7 80

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

lamda

cp


28

L’équation différentielle qui caractérise le comportement mécanique de l’ensemble turbine et

générateur est donnée par :

II.3.3.MODELE DE LA MACHINE SYNCHRONE A AIMANT PERMANENT

La modélisation des machines est essentielle aussi bien, pour le concepteur que pour

l’automaticien. Elle est généralement utilisée pour l’analyse du comportement du système. Les machines

à courant alternatifs sont en générale, modélisées par des équations non linéaires (équation

différentielles). Une transformation triphasée – biphasé est nécessaire pour simplifier le modèle (réduire

le nombre des équations) [8][31] .

Pour une représentation plus simple nécessite l'introduction des hypothèses simplificatrices

suivantes:

Caractéristique magnétique de la machine linéaire.

Symétrie de la machine.

Répartition sinusoïdale dans l’entre fer.

L’influence des pièces polaires.

Fig. II.11 : Modèle de la machine en biphasé

Après simplifications on aura:

Avec :

: Flux des aimants permanents.

Les relations (II.28) et (II.29) deviennent alors :


29

L’expression générale du couple électromagnétique est:

Avec :

L’équation mécanique s’écrit:

II.3.4.MODELISATION DU REDRESSEUR MLI

Le redresseur de tension fonctionne en gardant la tension du bus continu à une valeur de référence

désirée, en utilisant une commande en boucle fermée. Pour accomplir cette tâche, la tension du bus

continu est mesurée et comparée avec une référence . Le signal d'erreur produit de cette

comparaison est employé pour commuter les six interrupteurs du redresseur à la fermeture et à

l'ouverture. De cette façon, la puissance peut s'écouler dans les deux sens selon les conditions sur la

tension du bus continue mesurée aux bornes du condensateur C .

Fig. II.12 : Schéma fonctionnelle d’une redresseur MLI.

Les tensions d’entré redresseur d`une manière générale sont données par :

(II .36)

D`ou on peut déduire les tensions simples:

Avec :

(II .38)

Où , prends 0, et .

Les équations de tension pour le système triphasé équilibré sans neutre peuvent être écrites:


30

Et en plus pour les courants :

La combinaison des équations (II.37), (II.38), (II.39), (II.40) peut être représentée comme schéma

fonctionnel triphasée (Annexe A).

II.3.5.RESULTATS DE SIMULATION

II.3.5.1. Simulation de la turbine

Fig. II.13: Vitesse de rotation du rotor de la turbine [rad/s]

Fig. II.14 : Courbes de puissance de la turbine éolienne.

II.3.5.2. Simulation de la génératrice synchrone a aimant permanent

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

5

10

15

20

25

30

35

40

temps[s]

vite

sse d

e r

ota

tio

n[r

ad

/s]

0 5 10 15 20 25 30 35 400

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

vitesse de rotation[rad/s]

puis

san

ce

me

can

iqu

e[w

]


31

Fig. II.15: Les tensions a la sortie de la GSAP.

Fig. II.16: La tension de bus continu

Fig. II.17 : Les courants Isa, Isb, Isc

La figure II.14 représente l'évolution du coefficient de puissance Cp en fonction de la

vitesse relative λ et il nous permet de déterminer les paramètres optimales de la turbine tell Cpop

qui est défini pour les valeurs λop et βop.

La puissance mécanique fournie par la turbine éolienne est augmentée avec

l’accroissement de la vitesse de vent mais en comparant la puissance mécanique avec la vitesse

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

temps[S]

te

ns

io

n [V

]

va

vb

vc

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 20

100

200

300

400

500

600

700

temps[s]

tensio

n[v

]

Vdc ref

Vdc

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

temps[s]

IS[A

]

ISc

ISb

ISa

1 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.1-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

temps[s]

Is[A

]

ISc

ISb

ISa


32

de rotation de la turbine, on a observé que la puissance augmente jusqu’à une valeur maximale

avec l’accroissement de la vitesse de rotation puis la puissance mécanique diminue; malgré que

la vitesse de rotation continue à augmenter.

La figure III.15 montre la forme sinusoïdale de la tension de génératrice qui se démarre

avec un régime transitoire. La fréquence est dépend de la vitesse de la turbine se qui implique la

vitesse du vent. L'utilisation des convertisseurs statiques reste une solution pour normaliser la

fréquence de la tension délivrée vers le réseau.

II.4. CONCLUSION

Dans ce deuxième chapitre, nous avons présenté la modélisation dynamique pour caractériser le

comportement énergétique des deux chaînes. Nous avons présenté en premier lieu le modèle

mathématique équivalant du panneau photovoltaïque afin d’étudier et d’analyser l’influence des

paramètres externes sur son fonctionnement. Puis le modèle, qualifié de modèle référence,

associe une génératrice synchrone représenté par un modèle circuit avec redresseur triphasé

commandé dont les interrupteurs sont considérés parfaits. Ce modèle, relativement précis,

présente un temps de calcul prohibitif dans un contexte d’optimisation.

Chapitre III


34

III.1. INTRODUCTION Dans ce dernier chapitre nous allons entamer l’association des deux chaines de conversion

(photovoltaïque et l’éolien) afin de constitué un système hybride qui va allier les énergies solaires et celle

transmise par le vent afin de maximiser le rendement de l’installation. Le système sera étudié pour un

montage parallèle des deux chaînes de conversions. Ainsi cette association va alimenter une charge de

type site isolé a travers un onduleur a command MLI, a pour but d'imposé la fréquence normalisée, et

aussi un filtre passif pour corriger le bruit (quelques harmoniques) entachant la tension et surtout le

courant de sortie vers la charge.

III.2. MODELISATION DE L’ONDULEUR DE TENSION [30]

L’onduleur de tension est un convertisseur statique qui transforme une source de tension continue

en une tension alternative pour pouvoir alimenter des charges en courant alternatif. Les composants semi-

conducteurs utilisés dans la structure peuvent être des GTO fonctionnant à des fréquences de

commutation relativement basses, ou des IGBT lesquels peuvent atteindre des fréquences de travail de

l’ordre de 25kHz. Le schéma structurel d’un tel onduleur triphasé à deux niveaux et de sa charge est

illustré par la figure (III.1).

Fig. III.1: Schéma de l’onduleur de tension.

Les couples d’interrupteurs ( ), ( ), ( ) doivent être commandés de manière

complémentaire pour assurer la continuité des courants alternatifs dans la charge et éviter le court circuit

de la source continue. Les diodes sont des diodes de roue libre assurant

protection des transistors et la continuité des courants dans la charge. Pour exprimer les trois tensions

composées, on peut écrire les relations suivantes :

(III-1)

Où sont les tensions d’entrée à l’onduleur ou (tensions coté continues).

Soit 'n' l’indice du point neutre du coté alternatif. En procédant de la même manière (relations

précédentes), on aboutit à :


35

(III-2)

Où VAn , VBn , VCn sont les tensions de phase ou côté alternatif.

Vno est la tension fictive entre le point neutre de la charge et le point fictif ‘o’.

Le système VAn , VBn , VCn étant équilibré, alors :

(III.3)

En utilisant (II-3), de (II-2) on aura :

(III.4)

En remplaçant cette dernière équation dans (II-2), on obtient :

(III-5)

Si VAo, VBo, VCo sont les tensions d’entrées de l’onduleur, alors VAn ,VBn,VCn sont les tensions de

sortie de cet onduleur. Par conséquent, l’onduleur de tension peut être modélisé par une matrice T

assurant le passage continu alternatif, soit alors :

(III-6)

Avec :

(III-7)

III.2.1 COMMANDE DE L’ONDULEUR DE TENSION [30]

L’objectif de la commande est de générer les ordres d’ouverture et de fermeture des interrupteurs

de sorte que la tension de sortie de l’onduleur soit la plus proche de la tension de référence. Plusieurs

méthodes sont utilisées pour commander les interrupteurs de l’onduleur de tension. La stratégie la plus

utilisée est la modulation de largeur d’impulsions (MLI ou PWM),

Avec la MLI (intersective), les signaux de commande des interrupteurs de l’onduleur sont donnés

par la comparaison entre la tension de référence sinusoïdale et une onde triangulaire appelée

porteuse d’une fréquence très élevée. Le signal de commande de l’interrupteur d’un bras de


36

l’onduleur triphasé (i=1, 2, 3) est fermé si l’onde de référence de la phase correspondante est

supérieure ou égale à la porteuse triangulaire, et vice versa.

La figure III.2 illustre le principe d’une MLI sinus-triangle.

Fig.III.2: Principe de la MLI intersective

Cette stratégie de commande est caractérisée en général par deux paramètres:

-Le coefficient de modulation m (rapport entre la fréquence de porteuse et celle du signal de

référence ).

-Le coefficient de réglage en tension r; égale au rapport de l’amplitude du signal de référence à la

valeur crête

de la porteuse.

La tension de phase ( ) générée par onduleur commandé par MLI sinus-triangle est donnée par

la figure III.3. Elle résulte de l'addition des effets de toutes les cellules de commutation.

Fig. III.3 : Tension d’une phase de sortie de l’onduleur.

Dans cette technique la fréquence de commutation est fixe, le réglage s’effectuant par variation du

rapport cyclique des signaux de commande.

III.3. COUPLAGE DE LA CHARGE AVEC LE SYSTEME

PHOTOVOLTAÏQUE

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.014 0.016 0.018 0.02

-1

-0.5

0

0.5

1

t [s]

l'am

plu

tide [

V]

Vp (porteuse)

Vmod (modulatrice)

0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 0.045 0.05-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

t(s)

tensio

n V

A (

v)


37

La chaine photovoltaïque est composée d'un panneau solaire, d'un hacheur survolteur et sa

commande, dont la tension de sortie est maintenue presque constante par l'utilisation d'une technique de

poursuite du point maximale de la puissance, le point dont laquelle la tension de sortie est légèrement

varié avec l'éclairement.

Fig. III.4: Schéma de couplage d'un système photovoltaïque avec la charge.

La simulation de cette chaine de conversion est effectuée on concéder que l'éclairement varie de

G=1000W/m2 a G= 800 W/m

2 a t= 1s.

Résultats de simulation

Fig. III.5 : Tension de sortie de l'hacheur Boost

Fig. III.6 : Tension de sortie des panneaux solaire

Continuous

powergui

G

T

VPV

LA CHARGE

R L

FILTRE

L C

ONDULEUR

DE

TENSION

HACHEUR

SURVOLTEUR

[0 1000;1 800;2 500]

E VAR

25+273

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

100

200

300

400

500

600

700

800

900

t(s)

la t

en

sio

n d

e s

ort

ie d

u s

ys p

h

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

100

200

300

400

500

600

t(s)

tensio

n d

e s

ort

ie d

u g

en

era

teu

r p

h(v

)


38

Fig. III.7: Tension de sortie de l'onduleur connecté au système photovoltaïque

La tension de sortie de l'hacheur est représentée sur la figure III.5, on remarque qu'elle atteint la

valeur de référence rapidement on compare avec le système éolien (environ 0,25s). Malgré que ce temps

de réponse est court mais il reste long parce qu'il n y a pas de problème d'inertie. Donc le retard remarqué

sur la courbe est dû à la méthode MPPT utilisée (la technique P&O) qui est caractérisée par un temps

d'exécution de l'algorithme très long car il est plus complexe. Aussi elle présente des oscillations autour

du MPP en régime établi.

III.4. COUPLAGE DE LA CHARGE AVEC LE GENERATEUR EOLIEN

La chaîne de conversion éolienne (figure III.8) est composée d’une turbine éolienne entraînant une

génératrice synchrone à aimant permanent, associée à un redresseur MLI, qui est a son tour connecté à un

onduleur alimentant une charge (RL).

Fig. III.8 : Schéma couplage générateur éolien avec la charge.

Résultats de simulation :

La simulation est effectuée on supposant que la vitesse à une valeur de 9 m/s puis à un certain

temps (t=2s) la vitesse change jusqu'à 11 m/s.

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

tensio

nd

e l'o

ndu

leur(

v)

Continuous

powergui

TURBINE

EOLIENNE

REDRESSEUR

MLI

HYSTERISIS

ONDULEUR

DE

TENSION

LA CHARGE

R L

Génerateur

Synchrone

a aiment

Permanent

620


39

Fig. III.9 : Tension de sortie du redresseur

Fig.III.10 : Variation la tension de la charge

La figure III.9 représente l'évolution de la tension de sortie du redresseur de la chaine éolienne, qui

se stabilise a une valeur de référence prédéfinie égale à 620 V, après un régime transitoire relativement

long (environ 1,5s) ce qui est dû au moment d'inertie de la turbine pour qu'il atteint le régime permanant

nominal. Un dépassement est observé lors du démarrage et lors de la variation de la vitesse du vent, la

valeur du dépassement est peut être minimisé on ajustant les paramètres du régulateur de la tension du bus

continu. L'influence de ce dépassement est observée sur l'évolution des tensions de l'onduleur.

III.5. COUPLAGE LA CHARGE AVEC LES DEUX GENERATEURS

(EOLIEN-PHOTOVOLTAÏQUE)

Le système solaire-éolien parallèle peut être architecturé comme suit :

Fig. III.11 : Schéma de principe d’une chaine de conversion éolienn- photovoltaïque globale (connexion en

parallèle)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

100

200

300

400

500

600

700

800

t(s)

tensio

n(v

)

Vdc

Vdcref

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

les tensions(v)

t(s)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

tensio

n(v

)


40

La connexion en parallèle des deux chaines de conversion est effectuée de tels sorts que la tension

délivrée a la charge soit tout le temps la valeur la plus grande des deux chaines, ce qui est assuré par les

deux diodes. Si par exemple la tension photovoltaïque est la plus petite, elle se comporte comme un

récepteur. La différence de potentielle entre les bornes de la diode soit négative, donc elle est bloquée et

assuré la protection de source photovoltaïque contre le retour de courant qui a un effet destructif surtout

sur les panneaux solaire. Les conditions de connexion sont expliquées par la relation suivante:

Fig. III.12 : Tensions d’entrée éolien (Véol) et solaire (Vph) et hybride parallèle (Vtotale) d’un système de

génération solaire-éolien connectés en parallèle

Fig. III.13: Tension de sortie de l'onduleur connecté au système global

Dans la figure III.12 les deux chaines démarrent a fournir de l'énergie avec un régime transitoire,

dont la priorité est au système photovoltaïque parce qu'il est plus rapide (système purement électrique) et

la tension de sortie est égale à la tension de celui-ci. Lorsque le système éolien atteint ces valeurs crêtes

au régime transitoire sa tension est la plus grande et devient donc le plus dominant.

Lors de la variation des conditions atmosphériques le système éolien perd le contrôle est le système

solaire le remplacé directement parce qu'il n'est pas sensible a ces variations.

Lorsque les deux systèmes stabilisent, et a cause le l'inconvénient majeur de stratégie P&O

(oscillation autour du point de fonctionnement) le système éolien est le plus stable.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 30

100

200

300

400

500

600

700

800

900

t(s)

les

tensio

ns(v

)

Vph

Veol

Vtot

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

la t

en

sio

n d

e

l'on

du

leur

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

la t

en

sio

n d

e l

'on

dule

ur


41

III.6. AMELIORATION DE LA TENSION ET DU COURANT DE LA

CHARGE PAR UN FILTRE LC

Le filtre de connexion au réseau est un filtre LC qui sert à minimiser les harmoniques de

commutation. Le type de réseaux électrique est composé uniquement de charges isolées raccordées entre-

elles électriquement sans source d'énergie, que l'on appellera réseau passif.

Fig. III.14 : Modèle d’un générateur hybride (éolien-photovoltaïque) connecté au réseau à travers un onduleur

de tension

Dont le filtre LC est représenté sur la figure III.15

Fig. III.15:Filtre de type LC

Le modèle mathématique du filtre LC est régi par les équations de tension et du courant explicitées

ci-dessous.

LCA

f

fCA

f

LCA

LBC

f

fBC

f

LBC

LAB

f

fAB

f

LAB

iC3

1i

C3

1

dT

dV

iC3

1i

C3

1

dT

dV

iC3

1i

C3

1

dT

dV

(III.8)

Avec

fAfCfCA

fCfBfBC

fBfAfAB

iii

iii

iii

1ch3chLCA

3ch2chLBC

2ch1chLAB

iii

iii

iii

En appliquant la deuxième loi de Kirchoff (loi des mailles) nous obtenons:


42

mCA

f

LCA

f

fCA

mBC

f

LBC

f

fBC

mAB

f

LAB

f

fAB

VL

VLdT

di

VL

VLdT

di

VL

VLdT

di

11

11

11

(III.9)

On peut écrire généralement:

f

f

L

f

f

L

f

f

f

L

VL

VLdT

di

iC

iCdT

dV

11

3

1

3

1

(III.10)

Pour une charge RL on peut exprimer les courants et les tensions comme suit:

LL

ch

L iL

chR

VL

1

dt

di

(III.11)


43

Résultats de simulation

Fig. III.16: Tension simple aux bornes de la charge avant et après filtrage (V)

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

tensio

n(v

)

tension VA avec filtrage

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-500

0

500

t(s)

tensio

n(v)

tension VA avec filtrage

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

t(s)

tensio

n (

v)

tension VAB avec filtre

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-250

-200

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

250

t(s)

tensio

n (

v)

tension VAB avec filtre

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-1000

-500

0

500

1000

t(s)

tensio

n(v)

tension VA sans filtrage

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-800

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

t(s)

tensio

n(v)

tension VA sans filtrage

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-600

-400

-200

0

200

400

600

t(s)

tensio

n(v)

tension VAB sans filtre

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-500

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

500

t(s)

tensio

n(v)

tension VAB sans filtre


44

Fig. III.17: Courant de la charge avant et après filtrage (A)

La tension de sortie de l'onduleur est claire et représente une forme d'onde acceptable, mais entaché

des harmoniques, influent remarquablement sur la forme de courant.

Pour éliminer ces harmoniques est rapprocher les courbes a la forme sinusoïdale désirée, un filtre

LC est utilisé, ce qui corrige la forme d'onde et augmente la qualité de la puissance fournie au site

alimenté comme le montre les figures III.16 et 17.

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

0

50

t(s)

cou

ra

nt

de c

harg

e(A

)

courant de charge sans filtre

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

t(s)

cou

ra

nt

de c

harg

e(A

)

courant de charge sans filtre

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

t(s)

cou

ra

nt

de c

harg

e

courant de charge avec filtre

0.5 0.505 0.51 0.515 0.52 0.525 0.53 0.535 0.54 0.545 0.55-30

-20

-10

0

10

20

30

t(s)

cou

ra

nt

de c

harg

e

courant de charge avec filtre


45

III.7. CONCLUSION

Dans ce chapitre nous avons présenté un système d'énergie hybride constitué par un système de

conversion éolien associé à des panneaux photovoltaïques. Ces sources se connectent sur un bus continu

raccordé a un réseau isolé par l'intermédiaire d'un onduleur de tension et un filtre LC. Dans un premier

temps, nous avons commencé d’étudier les deux systèmes séparément pour testé ces évolution lors des

variations atmosphériques, et ensuite le deux chaines sont connecté en parallèle pour assurer la continuité

du service sur le site alimenté.

Les résultats des différentes simulations réalisées sous environnement Matlab/Simulink ont été

discutés et comparés.

Conclusion

générale

CONCLUSION GENERALE

47

Le travail présenté dans ce mémoire a concerné l’étude, la modélisation et la simulation de

systèmes de production d’électricité autonome, à partir de ressources renouvelables mixtes

(photovoltaïque et éolienne).

A cet effet, La modélisation et la simulation numérique des deux chaines de conversion d’électricité ont

été effectuées en utilisant le logiciel Matlab.

Notre étude s’est focalisée sur un système hybride photovoltaïque-éolien avec un onduleur de

tension et un filtre LC, dont son rôle est d’adapter l’énergie produite à la norme de la charge

(consommateur ou réseau). Ceci impose une adaptation nécessaire pour maximiser le rendement du

système hybride (la quantité d’électricité produite par jour) d’une part et d’autre part réduire le coût du

système.

Dans la première partie de ce travail, nous avons présenté des généralités sur l'énergie éolienne et

l’énergie solaire ainsi que les différentes composantes de production telle que l’aérogénérateur et le

panneau photovoltaïque et aussi nous avons présenté les avantages et les inconvénients.

Les modèles mathématiques des systèmes étudiés ont été présentés. On a commencé avec les

modèles des machines électriques, dans la deuxième partie, nous avons abordé la simulation des

différents éléments des deux chaines et aussi les convertisseurs statiques utilisés.

Alors que la troisième partie est sacrée a la l’étude et la simulation de la stratégie de contrôle des

convertisseurs statiques

- Pour le redresseur du système éolien la tension du bus continu et mesurés et comparée avec une

référence puis une régulation des courants d’entrée du redresseur pour améliorer la qualité de

l’énergie produite

- L’hacheur du système photovoltaïque est commandé par une technique MPPT P&O afin de

maximiser la puissance délivrée.

Dans un dernier temps, on a consacrée à la simulation de l’association parallèle des deux chaines

de production.

En perspectives:

Le dimensionnement d’un système hybride de moyenne puissance

La réalisation d’un banc d’essai pratique (prototype) pour faire une approximation aux systèmes

réels de grande puissance.

Génération du profil de vent à partir de données expérimentales;

Utilisation de méthodes d’optimisation plus robuste;

Des techniques de résolution, comme les Réseaux de Neurones, la logique floue, etc., peuvent

être utilisés pour résoudre des nouveaux problèmes d’optimisation

Annaxe

Annexe

Fig. A.1 : Schéma fonctionnel du redresseur MLI dans un repère abc triphasées [24]

A.1.Boucle de régulation de la tension bus continu de redresseur

Fig. A.2: Modèle en boucle fermée pour la régulation de tension

La fonction de transfert en boucle ferme est donne par la relation suivant :

La fonction de transfert en boucle fermée du système est donc :

La relation devient

La fonction de transfert se forme canonique :

La bande passante du régulateur de tension est fixée par rapport à la fréquence de la force

électromotrice de la machine donc elle dépend directement de la vitesse de l’alternateur.

-

Udc

PI

Udcref +

+ Régulateur

PI

Annaxe

Typiquement on prend

A.1.Simulation de vent

Le résultat de simulation de figure (A.3) représente la vitesse du vent simulée par l'équation

(II.22)

Fig. A.3: La variation de la vitesse de vent en temps [m/s]

II.1.1.1. Simulation de la turbine

L’hauteur de la voilure H=2m

le rayon de la voilure R=0.5m

la masse volumique de l’air =(kg/m3)

L’ inertie de la turbine =0.1Kg.m2

le coefficient de frottement ft=0.06N.ms/rad

Tab. A.1: Paramètres de la Turbine

Fig. A.4 : Bloc simulation de la Turbine sous (MATLAB/SIMULINK).

A.1.Simulation de la génératrice synchrone a aimants permanents

0 5 10 15 20 257

8

9

10

11

12

13

14

t[s]

la v

itesse d

e v

ent[

m/s

]

1

W

lomda Cp

v

Omega

lomda

V

Cp

lomda

Tm Tm

Tem

w

2

Ce

1

V

Annaxe

Tension nominal Vn=110V

Puissance nominale Pn=1600W

Nombres de pair de pole 2p=4

Résistance des enroulements Rs=1.4Ω

L’inductance synchrone Ls=0.0263H

Flux efficace =0.15wb

Tab. A.2 : Paramètres de la Gsap [28]

Fig. A.4: Bloc simulation de la machine synchrone [10]

II.1.1.1. Simulation de convertisseur statique

La tension de bus continu Vdc=620V

Le condensateur de bus continu Cd=200

Tab A.3 : Paramètres de bus continu [28]

Fig. A.5 : Bloc simulation du redresseur

7

Ce

6

Vc

5

Vb

4

Va

3

Ic

2

Ib

1

Ia

1

s

1

s

1

s

1

s

Ps Ps

R

1/L

R

1/L

R

1/L

f(u)

f(u)

f(u)

1W

Annaxe

Paramètres de simulation du MODULE TYPE : TE600

Puissance maximale (W) 60

Tension optimale (V) 17.6

Courant optimale (A) 3.4

Tension en circuit ouvert (V) 21.9

Courant de court-circuit (A) 4.95

Facteur de température(Icc) 0.065 %

Nombre de cellules par module 36

Tab A.4: Paramètres de MODULE TYPE (TE600).

Fig. A.6 : Bloc simulation d’un GPV global

V

298

Tc

P(V)

I(V)

V

Tc

G

I

P

GPV

1000

G

Iph

Is

2

P

1

I

f(u)

f(u)

f(u)

Rs

3

G

2

Tc

1

V

Références bibliographiques

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Application aux sites de Tlemcen et de Bouzaréah>> Thèse de Magister, Universite ABOU- BAKR

BELKAID de TLEMCEN ,Décembre 2012.

[2] LOUZE Lamri <<Production décentralisée de l'énergie électrique : Modélisation et contrôle d'une

génératrice asynchrone auto excitée >>. Thèse de doctorat en sciences universite Mentouri Constantine,

2010.

[3] Ludovic LECERCQ Apport du stockage inertiel associe à des éoliennes dans un réseau

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2004.

[4] Frédéric POITIERS Etude et commande de génératrices asynchrones pour l'utilisation de

l'énergie éolienne . Thèse de Doctorat de l’Université de Nantes, France 2003.

[5] Olivier GERGAUD modélisation énergétique et optimisation économique d'un système de

production éolien et photovoltaïque couple au réseau et associe a un accumulateur . Obtenir le grade

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[6] Bernard MULTON Aérogénérateurs électriques .ENS Cachan 2007.

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[8] Radia REDJEM Etude d’une chaine de conversion d’énergie éolienne . Mémoire de

Magistère, Université de Constantine, Algérie 2009.

[9] Miguel LOPEZ Contribution a l'optimisation d'un système de conversion éolien pour une unité

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[10] Meny IVAN Modélisation et réalisation d’une chaîne de conversion éolienne petite

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[11] Haritza CAMBLONG minimisation de l’impact des perturbations d’origine éolienne dans la

génération d’électricité par des aérogénérateurs a vitesse variable . Obtenir le grade de Docteur de

l’Université de Bordeaux, France 2003.

[12] Duc-Hoan TRAN Conception Optimale Intégrée d’une chaîne éolienne passive .Thèse de

Doctorat, Université de Toulouse, France 2010.

[13] Arnaud DAVIGNY Participation aux services système de fermes d’ éoliennes à vitesse

variable intégrant du stockage inertiel d’ énergie .Thèse de Doctorat, Université de Lille, France

2007.

[14] Abdenour ABDELLI Optimisation multicritère d’une chaîne éolienne passive . Thèse de

Doctorat de l’Université de Toulouse, France 2007.


[15] Naouel HAMDI Modélisation et commande des génératrices éoliennes . Mémoire de

magistère de l’Université de Constantine, Algérie 2008.

[16] Stéphane PETIBON Nouvelles architectures distribuées de gestion et de conversion de

l’énergie pour les applications photovoltaïques . Thèse de Doctorat de l’Université de Toulouse

France 2009.

[17] Eric Schiller le pompage photovoltaïque .Manuel de cours, Université d’Ottawa, Canada.

[18] Nichiporuk Oleksiy Simulation,fabrication et analyse de cellules photovoltaïque à contacts

arrières interdigités .Thèse de Doctorat de l’institu national des sciences appliquées de Lyon France

2005.

[19] Ministre de l’Energie et des Mines, Guide des Energies renouvelables édition Algérie 2007.

[20] Cédric CABAL Optimisation énergétique de l’étage d’adaptation électronique dédié à la

conversion photovoltaïque . Thèse de Doctorat de l’Université de Toulouse France 2008.

[21] Zighed LILIA Etude de l'influence de nouveaux films antiréfléchissants sur la conversion

photovoltaïque .Thèse de Doctorat, Université de Constantine, Algérie 2007.

[22] Messaoud MAKHLOUF Etude et optimisation d’un modèle de conversion d’énergie

photovoltaïque application au pompage . Mémoire de magistère, Université de Constantine, Algérie

2006.

[23] Mohammed BELHADJ Modélisation D’un Système De Captage Photovoltaïque Autonome .

Mémoire de magistère, Université de Bechar, Algérie 2007.

[24] Abdelmalek BOULAHIA Stratégie de contrôle des redresseurs MLI basée sur le flux virtuel .

Mémoire de magistère, Université de Constantine, Algérie 2008.

[25] Abdelmalek BOUDEN Analyse optimisée de système de pompage photovoltaïque .

Mémoire de magistère, Université de Constantine, Algérie 2008.

[26] A. Kaabeche , M. Belhamel , R. Ibtiouen , S. Moussa et M. R. Benhaddadi Optimisation

d’un système hybride (éolien – photovoltaïque) totalement autonome Cder Alger, Algérie 2006 .

[27] Mohammed BELHADJ Modélisation D’un Système De Captage Photovoltaïque Autonome .

Mémoire de magistère, Université de Bechar, Algérie 2007.

[28] Soltane BELAKEHAL Conception & Commande des Machines à Aimants Permanents Dédiées

aux Energies Renouvelables .Thèse de Doctorat, Université de Constantine, Algérie 2010.

[29] Abdelhalim BORNI etude et regulation d’un circuit d’extraction de la puissance maximale

d’un panneau solaire . Mémoire de magistère, Université de Constantine, Algérie 2009.

[30] Sihem DAMKHI commande sans capteur de vitesse d’un moteur asynchrone par la sfg (signal

flow graphs) de holtz . Mémoire de Magistère, Université de Batna, Alérie 2004.


[31] S. Belakehal, A. Bentounsi, M. Merzoug et H. Benalla Modélisation et commande d’une

génératrice Synchrone à aimants permanents dédiée à la conversion de l’énergie éolienne

Laboratoire d’Electrotechnique, Université Mentouri de Constantine, Algérie 2010.

(الفوتونية -الريحية )دراسة نظام هجين للطاقة :األطروحة

ملخص:

. ة في طریق النموئرضا في بعض الدول السایأعرف تطورا كبيرا في البلدان المصنعة و ةددلمتجان استعمال الموارد إ

.بالشبكة الكهربائية ، یستعمل في تغذیة حمولة معزولة متصل، غير ( الفوتونية -الریاح )هذا العمل یأخذ في دراسة نظام هجين للطاقة

متصلة ( الفوتونية –الریاح )النظام الطاقوي المدروس في هذه المذكرة من النوع الهجين یحتوي على نوعين من الطاقات المتجددة

. وهي محوالت الطاقة الكهربائية المطبقة في منطقة معزولة بمحوالت الضبط

الهجين ةلطاقانظام , محوالت الضبط, الفوتونية, الریاح, الطاقة المتجددة: ات المفتاحيةالكلم

Thesis: Study and simulation of hybrid system (wind-photovoltaic)

Abstract:

The use of renewable resources has been a great growth in the industrialized countries and even in some

underdeveloped countries.

This work focuses on the study of hybrid system (photovoltaic-wind), not connected to the electricity

grid, and used to supply an isolated load.

The energy system studied in this memory is hybrid with two renewable energy sources (solar and wind)

coupled and connected to a control electrical transducers and static converter applied in an isolated site.

Keywords: Renewable energy, wind, photovoltaic, static converter, hybrid system

Mémoire : Etude et simulation d’un système hybride photovoltaïque éolien.

Résumé :

L’exploitation des ressources renouvelables connaît un grand essor dans les pays industrialisés et

même dans quelques pays sous-développés.

Ce travail porte sur l’étude d’un système hybride d’énergie (photovoltaïque-éolien), non connecté

au réseau électrique, utilisé pour alimenter une charge isolée.

Le système énergétique étudié dans cette mémoire est de type hybride à deux sources d'énergies

renouvelables (solaire et éolienne) couplées à des convertisseurs statiques d'adaptation et de

conversion des formes d'énergie électrique avec une application au site isolée.

Mots clés : énergies renouvelables, photovoltaïques, éolienne, convertisseur statique, système

hybride.

etude et simulation d’un systeme hybride … · remerciements remerciements avant tout, je...

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