Comparaison des puissances pour les différentes liaisons (I_ecl = -1A à t=20ms)

Nous avons étudié précédemment l’évolution du courant I_pv, de la tension V_pv et surtout de la puissance P_pv délivrée par le générateur photovoltaïque.

Dans ce qui suit, nous effectuerons une comparaison entre la puissance de la source P_pv et celle de la charge P_ch, dans les trois types de liaisons.

Tout d’abord, nous considérons que V_ch est prise au borne de la charge RE, ensuite, elle est prise aux bornes de la charge RLE.

Les résultats de simulation sont donnés respectivement sur les figures 3. 16 et 3.17.

Liaison à travers un hacheur commandé par une MPPT

1 Modèle PSIM

2 Panneau solaire sans présence de perturbation

            Sans présence de perturbation, les différentes caractéristiques du générateur PV à liaison indirecte avec la charge (à travers un hacheur doté d’une commande MPPT analogique) sont données sur la figure 3. 11 ci-dessous.

Simulation de l’ensemble Panneau – Hacheur – Batterie (Rapport cyclique fixe)

Modèle PSIM (Hacheur dévolteur)

Pour voir l’évolution des paramètres de sortie du générateur PV en présence d’un hacheur dévolteur placé entre source et charge, nous avons choisie une commande fixe. Les résultats obtenus sont les suivants :

2 Panneau solaire sans présence de perturbation

 

Liaison directe panneau - batterie

1 Modèle de simulation

Deux modèles principaux sont connus : le modèle à une diode et le modèle à deux diodes [  ]. Ce dernier s'avère plus proche du cas réel. C'est pourquoi, nous avons opté pour son utilisation lors de cette simulation.

Le dimensionnement du générateur photovoltaïque est pris d’une référence bibliographique [  ].

2 Panneau sous éclairement et températures constants

 

Différents types de la commande MPPT

Dans la recherche du point de fonctionnement optimal (Maximum Power Point Tracking – ‘MPPT’-) il s’agit de suivre continûment l’optimum de la puissance délivrée par le générateur PV. Pour cela, on décrira dans ce qui suit trois méthodes: analytique, analogique et numérique [7].

II. 3. 1 Méthode analytique

L’expression analytique de la puissance délivrée par le G.PV est donnée par:

Avec:

C1 et C2: des constantes calculées à chaque simulation.

Théorie de la commande MPPT

1 principe de la commande MPPT

Le  principe  est  simple:  comme  nous  le  voyons  sur  la figure (2. 1). Selon  l’endroit  où  l’on  se  trouve  sur  la courbe, une petite variation de  la  tension (dV)  implique soit un (dI) positif ou négatif, et c’est en jouant sur ces variations d’intensité que nous allons chercher à atteindre le point de puissance maximale.

Ensemble panneau – batterie

1 Caractéristiques électriques (I(V) et P(V))

Trois types de charges DC typiques existent : une charge purement résistive, une charge de type source de tension et une charge de type source de courant. Sur la figure (1. 14), nous avons représenté les caractéristiques I(V) et P(V) d’un générateur PV ainsi que les caractéristiques I(V) des trois types de charges [5].

Tout d’abord, nous pouvons identifier le point de fonctionnement où la puissance fournie par le générateur est maximale pour un courant optimal et une tension optimale. Ce point est nommé MPP (Maximum Power point). Ensuite, nous remarquons le point d’intersection entre les caractéristiques I(V) du générateur et celles des trois types de charges :

1. point A pour une charge en source de courant,
2. point B pour une charge résistive,
3. point C pour une charge de type source de tension,

Pour ces trois points, la puissance fournie par le générateur est respectivement P1, P2 et P3,  comme l’illustre la figure (1. 14), correspondant à des valeurs de puissance inférieures à la puissance maximale disponible. Donc une perte d’une partie de la puissance délivrée par le générateur PV implique, des pertes de production énergétiques importantes.

Modèle électrique du générateur photovoltaïque

. 1 Schéma électrique équivalent

En considérant l'expression (1. 3) et en tenant compte de l'effet de l'association des cellules PV, nous pouvons décrire le schéma électrique équivalant d'un générateur PV par la figure (1. 11) ci-dessous:

2 Caractéristiques courant – tension

Sur la figure (1. 12), nous reportons un exemple de la caractéristique I-V d'un module constitué d' une association de  trois branches en parallèles ayant chacune deux branches en série. On remarque que :

- Le courant du module est égal au courant de la cellule multiplié par le nombre des cellules montées en parallèle.

-     La tension totale est égale au produit de la tension de la cellule par le nombre des cellules en série.

Nous pouvons décomposer la caractéristique I(V) du générateur photovoltaïque en 3 zones :

-     Une zone assimilable à un générateur de courant I_CC proportionnel à l’irradiation, d’admittance interne pouvant être modélisée par  (Zone 1).

-     Une zone assimilable à un générateur de tension V_C0 d’impédance interne équivalente à Rs   (Zone 2).

-     Une zone où l’impédance interne du générateur varie très fortement de R_S à R_p (Zone 3).

 3 Caractéristiques puissance – tension

Le générateur photovoltaïque

L'interconnexion des modules entre eux, en série ou en parallèle, pour obtenir une puissance plus grande, définit la notion de générateur photovoltaïque (GP). Le générateur photovoltaïque se compose de plusieurs modules et d'un ensemble de composants qui adaptent l'électricité produite par les modules aux spécifications des récepteurs.

L'interconnexion des cellules peut être série ou parallèle. La tension totale disponible est égale au produit du nombre de cellules en série par la tension d'une cellule, et le courant est multiplié par le nombre de cellules connectées en parallèle [3].

Le panneau solaire

La cellule individuelle, unité de base d'un système photovoltaïque, ne produit qu'une très faible puissance électrique, typiquement de 1 à 3 W avec une tension de moins d'un Volt. Pour produire plus de puissance, les cellules sont assemblées pour former un module (ou panneau). 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. La puissance crête, obtenue sous un éclairage maximal sera proportionnelle à la surface du module [2].

La mise en série ou en parallèle des cellules solaires aboutit aux caractéristiques I(V) suivantes:   

1 Cellules en série

Schéma électrique

2 Cellules en parallèles

Schéma électrique

·    Caractéristiques I(V) courant – tension

Cellule solaire

La conversion photovoltaïque est la transformation de l’énergie lumineuse en énergie électrique. Les dispositifs capables d’effectuer cette transformation sont appelés cellules solaires ou photovoltaïques.

Le principe d’une cellule solaire est basé sur le phénomène physique appelé « effet photovoltaïque ». Celui-ci consiste à établir une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier entre 0.3 V et 0.7 V en fonction du matériau utilisé, de sa disposition, de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de la cellule [1].

Structure et principe de fonctionnement

La figure 1.1 illustre la structure d’une cellule PV typique. On voit clairement qu’elle est réalisée à partir de deux couches de semiconducteurs : une dopée P (dopée au bore) et l’autre couche dopée N (dopée au phosphore) créant ainsi une jonction PN avec une barrière de potentiel. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux atomes de la jonction PN de telle sorte que les électrons de ces atomes se libèrent et créent des électrons (charges N) et des trous (charges P). Ceci crée alors une différence de potentiel entre les deux couches. Cette différence de potentiel est mesurable entre les connexions des bornes positives et négatives de la cellule [2].

Regulateurs PI PD PID

Le régulateur proportionne l’intégral PI :

     La combinaison de l'action I et l'action P permet d'offrir la possibilité de modifier en même temps le régime transitoire et le régime permanent. L'emploi de ce régulateur se traduit par l'ajout d'un pôle à l'origine et un zéro à la fonction de transfert en boucle ouverte du système.

Il est caractérisé dans le domaine temporel par l'équation :

Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme :     

Et dans le cas discret il est caractérisé par l’équation :

Le régulateur proportionne l’dérive PD:

        Dans le régime permanent plus la valeur de  est grande plus l'erreur est petite, par contre le régime transitoire dépend de l'action D

II est caractérisé dans le domaine temporel par l'équation :

      Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme :

Et dans le cas discret il est caractérisé par l’équation:

Le régulateur proportionnel -intégral-dérive PID:

      C'est le régulateur le plus utilise en domaine industriel à cause de sa simplicité et sans oublier qu'il regroupe les trois actions, alors il assure :

ñ l'action proportionnelle est souvent utilisée pour améliorer la rapidité du système bouclé.

ñ l'action intégrale est employée pour améliorer le régime permanent.

ñ l'action dérivée assure l'amélioration de la stabilité.

Il est caractérisé dans le domaine temporel par l'équation :

Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme :

      Et dans le domaine discret il est caractérise par l'équation:

Action dérivée D

Pour palier l'inconvénient de l’action I, on peut concevoir une action qui réagit sur la dérivée du

signal d’erreur. Ainsi cette action produit une action seulement lorsque le signal d’erreur varie.

L’emploi de l’action D une correcteur anticipatrice.Il n’a aucun effet en régime permanent.

L’inconvénient de ce correcteur est quant le signal de référence varie brusquement, pour ce la préfère

en général utiliser le correcteur dérive dans la boucle de retour.

D’autre cote, si la grandeur d’entrée subit certaines discontinuités, sa dérive est

appliquée au signal de sortie et non pas au signal d’entrée.

Il est  caractérisé  dans le domaine temporel par l’équation:

Où Kd  est le gain du correcteur D.

Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme:

Et dans le cas continue il est caractérise par:

Action intégrale I

Pour palier l'inconvénient mentionne dans le correcteur P on utilise une action intégrale I qui permet d'augmenter le type de système. L'inconvénient majeur du correcteur se traduit par l'ajoutd'un pôle à l'origine du plan P ce qui cause un effet de dégradation de stabilité dans le régime transitoire, cela en produisant toujours un signal de commande même si le signal à atteint le régime permanent. Il est caractérisé dans le domaine temporel par l'équation:  

Où Kf est le gain du correcteur.

Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme:

Et dans le cas discret l'action intégrale est caractérisée par l'équation:

Action proportionnelle P

       L'action P est la plus simple, car elle agit directement sur l'erreur à l'instant courant pour générer l'action requise pour corriger la commande à commander. Ainsi, la réponse du correcteur P est instantanée.

      L'avantage principal de ce correcteur est sa simplicité d'implémentation à l'aide d'amplificateurs opérationnels, par contre son inconvénient est qu'il n'offre aucune possibilité d'annuler l'erreur du système en régime permanent. Dans le cas où la fonction de transfert du système est de type zéro et que le signal de référence et de type échelon par exemple,

II est caractérise dans le domaine temporel par l'équation :

Où kp est le gain du correcteur.

Et pour sa fonction de transfert elle est de la forme:

Et dans le cas discret l'action proportionnelle est identique c'est-à-dire:

Où Z est la transformée en Z.

Les régulateurs classiques

Le rôle des correcteurs est de générer des signaux pour commander ou contrôler les systèmes autour d'un point fonctionnement. Virtuellement tous les correcteurs, déterminent leurs signaux de sortie à partir de l'erreur entre le point de fonctionnement et la sortie du système.

 Généralement en utilisent les régulateurs classiques qui comprennent trois actions:

                        òAction proportionnelle (P)

                        òAction intégral (I).

                       òAction dérive (D).

Et on peut combiner ces trois actions pour avoir d'autres formes de correcteur PI, PD, PID.

Commande en boucle fermée

1 Structure de base :

      La structure de commande en boucle fermée peut prendre plusieurs configurations. La configuration la plus utilisée, quand le modèle employé est sous forme de fonction de transfert, est celle de la figure II.1.a., souvent appelée la configuration cascade. Par contre, quand le modèle est donné sous forme de modèle d'état, la structure utilisée est celle de la figure II.1.b. Cette configuration est celle de la commande par retour d'état.

2 Performances des systèmes en boucle fermée:

Iterative Feedback Tuning

I.Introduction:                                                                                                                                                   

      L'I.F.T est une méthode d'optimisation des contrôleurs basée sur la minimisation d'un critère de type quadratique, dans lequel apparaît explicitement l'erreur entre la sortie de la boucle fermée obtenue expérimentalement et la réponse désirée. Un second terme peut pénaliser l'effort de commande. Pour un contrôleur de structure donnée, la minimisation du critère se fera itérativement par une méthode de descente de type gradient ou Newton avec un pas fixe ou variable. Lorsqu'il est variable, il permet de contrôler le taux de changement entre le nouveau contrôleur et l'ancien, C’est un important aspect pour une perspective d'ingénierie. En plus, un pas variable est la clé pour l'établissement de la convergence de l'algorithme en présence des perturbations.

      Pour ce qui concerne les expériences à effectuer deux cas peuvent se présenter :

1. Pour un contrôleur de deux degrés de liberté, trois expériences successives sont réalisées à chaque itération de l'algorithme. La première et la troisième consistent simplement à collecter les données sous les conditions normales de fonctionnement, la seule expérience spéciale est la deuxième qui nécessite la réinjection de la sortie de la première expérience, qui constituera avec l'entrée de référence précédente, la nouvelle entrée de référence pour cette expérience.

2. Pour un contrôleur à un degré de liberté, seules la première et la deuxième expérience sont nécessaires.

II. Eléments de base sur la commande:

      Dans la pratique la commande qui assure les meilleures performances est celle en boucle fermée, elle possède plusieurs effets bénéfiques tels que la réduction de la sensibilité du système à la variation des paramètres, l'amélioration des rejets des perturbations et des signaux de bruits agissant sur le système à commander et l'amélioration du régime permanent et du régime transitoire du système considère.

Les avantages et les inconvénients du moteur asynchrone

Si l’on compare le moteur asynchrone au moteur shunt à courant continu, on constate que les

caractéristiques dans leurs parties stable, sont identiques, ce qui conduit aux mêmes applications

industrielles. En ce qui concerne le chois d’un moteur pour une application donnée, il est intéressant de signaler les avantages et les inconvénients de ces deux moteurs.

.1.Les avantages du moteur asynchrone : 

      Comparé au moteur shunt, le moteur asynchrone a l’avantage d’être alimenté directement par le réseau triphasé. Son prix d’achet est moins élevé, il est beaucoup plus robuste car il ne nécessite pratiquement pas d’entretien. 

      Ses deux qualités fondamentales (prix et solidité) résulte du fait qu’il n’a pas de collecteur.

En effet, le collecteur est un organe coûteux et fragile qui nécessite un entretien fréquent  :

changement des balais

.2. Les inconvénients du moteur asynchrone :

      A l’exception du démarrage et de l’inversion du sens de marche que l’on peut résoudre de façon satisfaisante, le moteur asynchrone a des performances très médiocres par rapport à celles du moteur shunt. En effet jusqu'à ces dernières années, l’entraînement idéal était réalisé par le léonard formé un moteur shunt alimenté par un convertisseur de tension.

Utilisation du moteur asynchrone

Comme on l’a expliqué, les performances d’un moteur concernent le domaine suivant :

démarrage, variation de la vitesse, freinage et inversion de sens de marche.

Comme la vitesse n reste très proche de la vitesse  de synchronisme, pour varier la vitesse du

Moteur il faut en fait varier la fréquence Fs  à l’aide d’un onduleur.

      Mais pour faire varier la vitesse sans modifier le couple utile il faut garder le rapport Vs / Fs constant (Vs est la tension d’alimentation d’un enroulement). Si on augmente la vitesse, il faut augmenter la Fréquence et la tension d’alimentation dans les limites du bon fonctionnement de la machine.

      Le moteur asynchrone triphasé, d’une puissance de quelques centaines de watts à plusieurs

mégawatts est le plus utilisé de tous les moteurs électriques. Son rapport coût/puissance est le plus faible. Associés à des onduleurs de tension, les moteurs asynchrones de forte puissance peuvent fonctionner à vitesse variable dans un large domaine (les derniers TGV, le Tram de Strasbourg,...).

Toutefois l’emploi de ce type de moteur est évité en très forte puissance (P > 10 MW) car la

consommation de puissance réactive est alors un handicap.

Branchement du moteur sur le réseau triphasé

Couplage de la plaque à bornes
Le branchement des bobines sur le réseau se fait au niveau  de la plaque à borne située sur le dessus de moteur. On dispose ainsi de 6 connexions, un pour chacune des extrémités des trois bobines. Les bornes sont reliées aux bobine selon la figure ci-  contre.

. Branchement du moteur sur le réseau triphasé:       Il n’est pas toujours possible de brancher un moteur asynchrone en étoile ou en triangle.

Avec le branchement étoile, la tension au borne de chacune des bobines est 220 V. Dans le montage en triangle, chacune des bobines est alimentée en tension nominale de réseau (380V).