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UNIVERSITE DE GRENOBLE

INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE

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T H E S E

pour obtenir le grade de

DOCTEUR DE L"Université de Grenoble

délivré par l"Institut polytechnique de Grenoble

Spécialité : " Génie Electrique »

préparée au laboratoire de Génie Electrique de Grenoble (G2Elab), UMR 5529 dans le cadre de l"Ecole Doctorale " Electrotechnique Electronique Automatique et Traitement du Signal » présentée et soutenue publiquement par

Stéphane VIGHETTI

le 24 septembre 2010

Titre :

Systèmes photovoltaïques raccordés au réseau : Choix et dimensionnement des étages de conversion Sous la direction de Jean-Paul Ferrieux et Yves Lembeye JURY

Mme. Corinne ALONSO , Rapporteur

M. Alfred RUFER , Rapporteur

M. Jean-Luc SCHANEN , Président

M. Franck BARRUEL , Examinateur

M. Bertrand Rivet , Examinateur

M. Jean-Paul FERRIEUX , Directeur de thèse

M. Yves LEMBEYE , Co-encadrant

Remerciements

La thèse est une période pleine d"enseignements, de découvertes, de remises en question,

d"espoirs, de difficultés et de rencontres. Ces toutes ces choses qui font la richesse d"une thèse...

En premier lieu je souhaite remercier mes encadrants, Jean-Paul Ferrieux et Yves Lembeye qui m"ont fait découvrir la recherche et l"électronique de puissance. Ensuite je souhaite remercier l"ensemble des membres du jury pour le temps et l"énergie qu"ils ont dédiés à la lecture et à la correction de mon manuscrit.

Je tiens à remercier M. Schanen d"avoir accepté d"être le président de mon jury ainsi que

Mme. Alonso et M. Rufer d"avoir accepté d"être rapporteur de mon mémoire. Je souhaite également remercier M. Barruel et M. Rivet d"avoir accepté de prendre part à mon jury. Les réalisations pratiques de ma thèse n"auraient jamais vu le jour sans les conseils et les " remontrances » de Jean Barbaroux. Un grand merci à toi. Merci Antoine Labonne pour ta disponibilité, tes compétences et ta bonne humeur.

Merci également à Benoît Sarrazin et Remy Vial de m"avoir donné une " lampe de poche »

pour mieux comprendre le monde obscure des IR2125 et autres DsPIC4011... Je souhaite remercier mes collègues de bureau, malheureusement nous n"avons jamais

réussi à être super champion ou à être dans les 5 premiers à ski challenge mais c"est pas faute

d"avoir essayé... On a quand même gagné le tournoi de foot et on a passé de bons moments autour

de bonnes bières et autres breuvages. Je vais finir mes remerciements par LA FAMILLE, LES AMIS, vous êtes la raison qui fait

attendre le soir, le week end et les vacances avec tant d"impatience. Merci d"être là et merci pour

tout ce que vous avez fait pour moi. Merci Fanny d"être à mes côtés, et d"accepter la réalisation de mon rêve.

Merci et bonne route....

Introduction générale.................................................................1 Chapitre I : Le Photovoltaïque et les convertisseurs statiques

1. INTRODUCTION .......................................................................................................................................4

2.1. LA CELLULE PV.............................................................................................................................. 4

2.1.1. L"effet photovoltaïque................................................................................................................ 4

2.1.2. Caractéristique électrique - Modélisation................................................................................ 5

2.1.3. Influence de la température et de l"éclairement........................................................................ 7

2.2. LES TECHNOLOGIES......................................................................................................................... 8

2.2.1. Le silicium cristallin.................................................................................................................. 9

2.2.2. Les couches minces.................................................................................................................. 10

2.2.3. Cellules organiques et plastiques............................................................................................ 10

2.3. LE MODULE PV............................................................................................................................. 11

2.3.1. Mise en parallèle / série .......................................................................................................... 11

2.3.2. Conception d"un module.......................................................................................................... 12

2.3.3. La diode by-pass...................................................................................................................... 13

2.3.4. La sécurité contre courant....................................................................................................... 14

2.3.5. Fonctionnement à puissance maximale................................................................................... 14

2.3.6. Le mismatch............................................................................................................................. 15

3. LES INSTALLATIONS PV CONNECTEES AU RESEAU DE DISTRIBUTION.............................17

3.1. LES FONCTIONS MACROSCOPIQUES............................................................................................... 17

3.2. LES TOPOLOGIES DE CHAMPS........................................................................................................ 17

3.2.1. L"onduleur central................................................................................................................... 17

3.2.2. L"onduleur " rangée »............................................................................................................. 18

3.2.3. Le hacheur " rangée »............................................................................................................. 19

3.2.4. Le hacheur modulaire parallèle .............................................................................................. 20

3.2.5. Le hacheur modulaire série..................................................................................................... 20

3.2.6. Les autres topologies............................................................................................................... 21

4. LES CONVERTISSEURS POUR LE PV................................................................................................21

4.1. LES STRUCTURES ISOLEES............................................................................................................. 22

4.1.1. Les structures isolées en haute fréquence................................................................................ 22

4.1.2. Les structures isolées en basse fréquence................................................................................ 24

4.1.3. Bilan ........................................................................................................................................ 24

4.2. LES STRUCTURES NON ISOLEES..................................................................................................... 24

4.2.1. Conversion mono étage........................................................................................................... 24

4.2.2. Deux étages ............................................................................................................................. 26

4.2.3. Bilan ........................................................................................................................................ 27

4.3. SYNTHESE..................................................................................................................................... 27

5. CONCLUSION ..........................................................................................................................................28

Table des matières

II Table des Matières

Chapitre II : Conception d"une topologie modulaire parallèle

1. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 32

2. LE PROJET SOLUTION PV................................................................................................................... 32

2.1. LES AXES DU PROJET......................................................................................................................32

2.2. LA SOLUTION PROPOSEE PAR LE PROJET SOLUTION PV..................................................................33

2.3. LE CAHIER DES CHARGES DU MICRO-HACHEUR..............................................................................34

3. LES STRUCTURES ETUDIEES............................................................................................................. 34

3.1. LES CONDITIONS D"ETUDE.............................................................................................................35

3.2. IDD BOOST....................................................................................................................................35

3.2.1. La structure..............................................................................................................................35

3.2.2. Le rendement............................................................................................................................36

3.3. BOOST QUADRATIQUE MONO INTERRUPTEUR................................................................................37

3.3.1. La structure..............................................................................................................................38

3.3.2. Le rendement............................................................................................................................38

3.4. DOUBLE BOOST CASCADE..............................................................................................................39

3.4.1. La structure..............................................................................................................................39

3.4.2. Le rendement............................................................................................................................40

3.5. RECAPITULATIF - CONCLUSION.....................................................................................................41

4. REALISATION DU DOUBLE BOOST.................................................................................................. 42

4.1. OPTIMISATION DE LA TENSION INTERMEDIAIRE.............................................................................43

4.2. ETUDE DE L"ENTRELACEMENT.......................................................................................................44

4.3. LE PROTOTYPE...............................................................................................................................45

4.4. LA FONCTION MPPT......................................................................................................................46

4.5. PROCEDURE DE TEST......................................................................................................................47

4.6. LES AMELIORATIONS.....................................................................................................................49

4.6.1. Changement du régulateur 3,3V ..............................................................................................50

4.6.2. Optimisation de la résistance de grille.....................................................................................50

4.6.3. Redressement synchrone sur le Boost 1...................................................................................51

5. LES RESULTATS..................................................................................................................................... 52

5.1. MESURE DU RENDEMENT EUROPEEN DU PREMIERE ETAGE.............................................................53

5.1.1. Mesure du rendement européen du premier étage...................................................................53

5.1.2. Mesure du rendement européen du premier étage avec redressement synchrone ...................54

5.2. MESURE DU RENDEMENT EUROPEEN DE LA STRUCTURE COMPLETE...............................................55

5.3. ESTIMATION DU RENDEMENT EUROPEEN DU SECOND ETAGE.........................................................56

6. CONCLUSION.......................................................................................................................................... 56

Chapitre III : Optimisation d"une topologie modulaire série

1. INTRODUCTION..................................................................................................................................... 60

2. LA SOLUTION RETENUE..................................................................................................................... 60

2.1. PRESENTATION DE LA SOLUTION....................................................................................................61

2.1.1. Caractéristiques du circuit.......................................................................................................61

2.1.2. Avantages de cette solution......................................................................................................62

2.2. LA VALIDATION DE LA SOLUTION..................................................................................................63

2.2.1. Fonctionnement normal...........................................................................................................63

2.2.2. Fonctionnement dégradé..........................................................................................................64

2.2.3. Limite de fonctionnement.........................................................................................................65

3. OPTIMISATION DE LA STRUCTURE................................................................................................ 66

3.1. LES BORNES DE L"OPTIMISATION...................................................................................................66

3.2. L"OUTIL CADES ...........................................................................................................................67

Table des Matières III

3.3. LES MODELES DE PERTES............................................................................................................... 68

3.3.1. Les semi-conducteurs .............................................................................................................. 69

3.3.2. Les inductances ....................................................................................................................... 74

3.3.3. Les condensateurs.................................................................................................................... 75

3.4. LES MODELES DE VOLUMES........................................................................................................... 75

3.4.1. Les inductances ....................................................................................................................... 75

3.4.2. Les condensateurs.................................................................................................................... 75

3.4.3. Le refroidissement ................................................................................................................... 76

3.5. LES RESULTATS............................................................................................................................. 77

3.5.1. Maximisation du rendement Européen.................................................................................... 77

3.5.2. Minimisation du volume .......................................................................................................... 79

3.5.3. Vérification des résultats......................................................................................................... 80

3.5.4. Influence des paramètres......................................................................................................... 81

4. INTEGRATION DE L"OMBRAGE........................................................................................................83

4.1. ETUDE COMPARATIVE................................................................................................................... 83

4.1.1. Comparaison de l"impacte de l"ombrage sur deux topologies................................................ 83

4.1.2. Comparaison de l"impact de 8 cellules PV ombrées............................................................... 84

4.2. ETUDE COMPLETE DE L"OMBRAGE................................................................................................ 86

4.2.1. Le programme Matlab............................................................................................................. 86

4.2.2. Comparaison de l"énergie produite au cours d"une journée................................................... 88

4.2.3. Etude d"un ombrage typique sur une année ............................................................................ 90

4.2.4. Etude d"un scénario " intégré au bâti » sur les différentes topologies.................................... 92

5. CONCLUSION ..........................................................................................................................................93

Chapitre IV : Etude, réalisation et caractérisation d"une solution d"équilibrage

1. INTRODUCTION .....................................................................................................................................97

2. LES STRUCTURES D"EQUILIBRAGE ................................................................................................97

2.1. LA PROBLEMATIQUE..................................................................................................................... 97

2.2. LES STRUCTURES ET LES APPLICATIONS........................................................................................ 98

2.2.1. Equilibrage passif.................................................................................................................... 98

2.2.2. Equilibrage actif...................................................................................................................... 99

2.3. LE PRINCIPE DE L"EQUILIBRAGE ACTIF.......................................................................................... 99

3. ETUDE THEORIQUE............................................................................................................................100

3.1. LA STRUCTURE PROPOSEE........................................................................................................... 100

3.1.1. La structure ........................................................................................................................... 100

3.1.2. La commande......................................................................................................................... 100

3.2. GENERALISATION........................................................................................................................ 102

3.3. LES CONTRAINTES SUR LES COMPOSANTS................................................................................... 103

3.3.1. Inductance............................................................................................................................. 103

3.3.2. Semi-conducteurs................................................................................................................... 107

3.4. VALIDATION DU FONCTIONNEMENT ET LIMITES.......................................................................... 109

3.4.1. A l"équilibre........................................................................................................................... 110

3.4.2. Mismatch ............................................................................................................................... 111

3.4.3. Générateurs nuls.................................................................................................................... 113

3.5. CALCUL DES PERTES................................................................................................................... 114

3.5.1. Inductances............................................................................................................................ 114

3.5.2. Semi-conducteurs................................................................................................................... 119

3.5.3. Commandes ........................................................................................................................... 121

3.6. ALGORITHME DE MPPT.............................................................................................................. 122

4. OPTIMISATION DU NOMBRE D"EQUILIBREUR..........................................................................122

4.1. LES DIFFERENTES STRUCTURES ETUDIEES................................................................................... 123

IV Table des Matières

4.2. LES CAS TYPIQUES ETUDIES.........................................................................................................123

4.2.1. Eclairement homogène...........................................................................................................125

4.2.2. Les cas d"ombrage .................................................................................................................126

4.3. LES RESULTATS...........................................................................................................................127

4.3.1. Eclairement homogène...........................................................................................................127

4.3.2. Influence de l"ombrage...........................................................................................................128

4.3.3. Influence de la mise en série..................................................................................................129

4.3.4. Influence de la mise en parallèle............................................................................................130

4.4. ETUDE DU SYSTEME COMPLET.....................................................................................................130

5. EXPERIMENTATION........................................................................................................................... 131

5.1. LE PROTOTYPE.............................................................................................................................131

5.2. MESURE DU RENDEMENT.............................................................................................................132

5.3. LA PROCEDURE DE TEST...............................................................................................................133

5.4. PERFORMANCE DE L"EQUILIBREUR..............................................................................................135

5.4.1. Sans Ombre............................................................................................................................135

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