République Algérienne Démocratique et Populaire Ministère de l’Enseignement Supérieure et de la Recherche Scientifique Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene Faculté d’Electronique et d’Informatique Département d’Instrumentation et Automatique THESE DE DOCTORAT Présentée pour l’obtention du grade de Docteur En Electronique Spécialité : Instrumentation Par : Mohammed Salim BENMERABET Thème : Contribution à l'intégration des énergies renouvelables dans les réseaux électriques en utilisant les convertisseurs multi niveaux Soutenue publiquement le 29/12/2020, devant le jury composé de : Mr A. LARABI Professeur U.S.T.H.B Président Mr A. TALHA Professeur U.S.T.H.B Directeur de Thèse Mr E.M. BERKOUK Professeur E.N.P Directeur de Thèse Mr K. BENMANSOUR Professeur U. Médéa Examinateur Mr I. MESSAIF Maître de Conférences A U.S.T.H.B Examinateur Mr F. BOUCHAFAA Professeur U.S.T.H.B Invité Remerciements SOMMAIRE SOMMAIRE .............................................................................................. 1 LISTE DES FIGURES Liste des figures ⁰ 0.12s t 0.16s 0.12s t 0.16s 0.32s t 0.36s 0.32s t 0.36s 0.42s t 0.46s 0.42s t 0.46s LISTE DES TABLEAUX Liste des tableaux LISTE DES ABREVIATIONS Liste des abréviations LISTE DES SYMBOLES Liste des Symboles 𝐸𝜆 𝛾 δ 𝑅𝑑𝑠(𝑜𝑛) INTRODUCTION GENERALE Introduction Générale Introduction Générale 𝑃𝑉 Introduction Générale CHAPITRE I GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE : FONCTIONNEMENT ET SIMULATION Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation CHAPITRE I GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE : FONCTIONNEMENT ET SIMULATION Chapitre I : E h Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation hc 1.24 γ E E Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation Matériau Symbole chimique Energie de Gap en eV Silicium cristallin Si 1.12 Silicium amorphe a-Si ~1.8 Germanium Ge 0.67 Sulfure de Galium GaAs 1.424 Arsenic de Cadmium CdS 2.40 Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation Id Iph + I Rs Rsh V - 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 à ’ ’é 𝑞𝑉 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠𝑎𝑡 (𝑒𝑥𝑝 (𝑛𝑘𝑇) − 1) 𝑉+𝑅 𝐼 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠𝑎𝑡 (𝑒𝑥𝑝 ( 𝑛𝑉 𝑠 ) − 1) − 𝑡ℎ 𝑉+𝑅𝑠 𝐼 𝑅𝑠ℎ é Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation ≈ 𝐺 𝐼𝑝ℎ = (𝐼𝑃ℎ,𝑛 + 𝐾𝐼 ∆ 𝑇 ) 𝐺 (I-5) 𝑛 ∆ 𝐼𝑠𝑎𝑡 = 𝐼𝑐𝑐,𝑛 +𝐾𝑖 ∆𝑇 𝑉𝑐𝑜,𝑛 +𝐾𝑣 ∆𝑇 )−1 𝛼𝑉𝑡 𝑒𝑥𝑝( (I-6) Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation ⁰ ⁰ Chapitre I : Générateur Photovoltaïque : Fonctionnement et simulation CHAPITRE II CONVERTISSEURS DCDC : MODELISATION ET COMMANDE Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande CHAPITRE II CONVERTISSEURS DC-DC : MODELISATION ET COMMANDE Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande { 𝑉𝑠𝑜 = 𝛿𝑉𝑝𝑣 1 𝐼𝑠𝑜 = 𝛿 𝐼𝑝𝑣 (II-1) δ 𝑍𝑝𝑣 = 𝛿 2 𝑍𝑠𝑜 (II-2) Chapitre II : 1 Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 𝑖𝑠 = 𝛿 𝐼𝑝𝑣 − 𝐶𝑒 𝑑𝑉𝑝𝑣 𝛿 𝐼𝐶𝑜 = 𝑖𝑠 − 𝐶𝑠 𝐿 𝑑𝑖𝑠 { 𝑉𝑝𝑣 = 𝛿 𝑑𝑡 𝑑𝑡 𝑑𝑉𝑠𝑜 𝑑𝑡 (II-3) 1 + 𝛿 𝑉𝑠𝑜 1 { 𝑉𝑠𝑜 = 1−𝛿 𝑉𝑝𝑣 𝑖𝑠 = (1 − 𝛿)𝑖𝑝𝑣 1 𝑍𝑝𝑣 = (1−𝛿)2 𝑍𝑠𝑜 (II-4) (II-5) Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 𝐼𝐿 = 𝐼𝑝𝑣 − 𝐶𝑒 𝑑𝑉𝑝𝑣 𝑑𝑡 𝐼𝑠𝑜 = (1 − 𝛿)𝐼𝐿 − 𝐶𝑠 { 𝑉𝑝𝑣 = 𝐿 𝑑𝐼𝐿 𝑑𝑡 𝑑𝑉𝑠𝑜 𝑑𝑡 (II-6) + (1 − 𝛿)𝑉𝑠𝑜 𝛿 𝑉𝑠𝑜 = 1−𝛿 𝑉𝑝𝑣 { 1−𝛿 𝐼𝑠𝑜 = 𝛿 𝐼𝑝𝑣 (II-7) Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 𝛿2 𝑍𝑝𝑣 = (1−𝛿)2 𝑍𝑠𝑜 1 𝐼𝐿 = 𝛿 𝐼𝑝𝑣 − (II-8) 𝐶𝑒 𝑑𝑉𝑝𝑣 𝛿 𝑑𝑡 𝐼𝑠𝑜 = −(1 − 𝛿)𝐼𝐿 − 𝐶𝑠 { 𝐿 𝑑𝐼𝐿 𝑉𝑠𝑜 = 𝛿 𝑑𝑡 − 1−𝛿 𝛿 𝑑𝑉𝑠𝑜 𝑉𝑠𝑜 𝑑𝑡 (II-9) Chapitre II : 𝑍𝑝𝑣 = 𝛿 2 𝑍𝑠𝑜 { lim 𝑍𝑝𝑣 = 0 𝛿→0 lim 𝑍𝑝𝑣 = 𝑍𝑠𝑜 𝛿→1 Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 𝑍𝑝𝑣 = { 1 𝑍 (1 − 𝛿)2 𝑠𝑜 lim 𝑍𝑝𝑣 = 𝑍𝑠𝑜 𝛿→0 lim 𝑍𝑝𝑣 = +∞ 𝛿→1 𝛿2 𝑍 1 − 𝛿 2 𝑠𝑜 lim 𝑍𝑝𝑣 = 0 𝑍𝑝𝑣 = { 𝛿→0 lim 𝑍𝑝𝑣 = +∞ 𝛿→1 Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Début Mesure V(k-1) et I(k-1) Mesure V(k) et I(k) Pk I k V k P Pk Pk 1 Non P 0 Oui Non V k V k 1 k 1 k D V k V k 1 Oui Non k 1 k D Pk Pk 1 P V k 1 k D V k V k 1 Oui k 1 k D k 1 k D Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Pk Pk 1 V k V k 1 P V k 1 k D Pk Pk 1 V k V k 1 P V k 1 k D Pk Pk 1 P V k 1 k D V k V k 1 Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 𝑍𝑝𝑣 = 𝑍𝑜𝑢𝑡 (1 − 𝛿)2 (II-10) 𝑉1 ⁄𝐼 1 𝑅𝐿 𝛿1 = 1 − √ 𝑅1 𝛿1 = 1 − √𝑅 𝐿 𝑅2 𝛿 = 1 − √𝑅 𝐿 { 2 δ 𝑃𝑟𝑒𝑓 = => (II-11) 𝛿2 = 1 − { 𝑉2 ⁄ √ 𝐼2 𝑅𝐿 δ 2 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑃𝑝𝑣 𝑅𝐿 𝑃𝑜 (II-12) Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande 60 50 P(W) 40 30 20 10 0 0 5 10 15 20 Vpv(V) 4 1/R1 Ipv(A) 3 1/R 2 2 1 0 0 5 10 15 Vpv(V) 20 Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande HMI Emulateur PV Carte mesures de dSPACE DS 1104 Hacheur Boost Charge Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande Chapitre II : Convertisseurs DC-DC : Modélisation et commande CHAPITRE III DEVELOPPEMENT DE NOUVELLES TOPOLOGIES DE CONVERTISSEUR DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (a) (b) (c) Chapitre III : 𝑓𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒𝑢𝑠𝑒 𝑚=𝑓 𝑟= 𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑎𝑛𝑡 ̂𝑚𝑜𝑑𝑢𝑙𝑎𝑛𝑡 𝑉 ̂𝑝𝑜𝑟𝑡𝑒𝑢𝑠𝑒 𝑉 Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (III-1) (III-2) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (a) (b) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝑈𝐴𝐵 𝑈𝑆𝑥1 𝑈𝑆𝑥2 𝑈𝑆𝑥3 𝑈1 0 2𝑈1 −𝑈1 𝑈2 𝑈1 𝑈1 0 𝑈1 + 𝑈2 2𝑈1 0 𝑈1 𝑅𝑑𝑠(𝑜𝑛) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝐔𝑗 = (2𝑗−1 )𝑈1 (III-3) 𝐔𝐢𝐧𝐯 = (𝑇1 𝑇4 − 𝑇2 𝑇3 )𝑈𝐷𝐶 (III-4) 𝐔𝐃𝐂 = ¬𝑆2 ¬𝑆3 𝑈𝐵𝑈1 + 𝑆2 ¬𝑆3 (𝑈𝐵𝑈1 + 𝑈𝐵𝑈2 ) + ¬𝑆2 𝑆3 𝑈𝐵𝑈2 { 𝐔𝐁𝐔𝟏 = ¬𝑆12 ¬𝑆13 𝑈1 + 𝑆12 ¬𝑆13 (𝑈1 + 𝑈2 ) + ¬𝑆12 𝑆13 𝑈2 𝐔𝐁𝐔𝟐 = ¬𝑆22 ¬𝑆23 𝑈3 + 𝑆22 ¬𝑆23 (𝑈3 + 𝑈4 ) + ¬𝑆22 𝑆23 𝑈4 (III-5) Chapitre III : 𝐔𝐢𝐧𝐯 = (𝑇1 𝑇4 − 𝑇2 𝑇3 )𝑈𝐷𝐶 Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (III-6) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝐔𝐃𝐂 = ¬𝑆2 ¬𝑆3 𝑈𝐵𝑈1 + 𝑆2 ¬𝑆3 (𝑈𝐵𝑈1 + 𝑈𝐵𝑈2 ) + ¬𝑆2 𝑆3 𝑈𝐵𝑈2 𝐔𝐁𝐔𝟏 = ¬𝑆12 𝑆13 𝑈1 + 𝑆12 ¬𝑆13 (𝑈1 + 𝑈C1 ) { (III-7) 𝐔𝐁𝐔𝟐 = ¬𝑆22 𝑆23 𝑈2 + 𝑆22 ¬𝑆23 (𝑈2 + 𝑈C2 ) 𝑏=3 𝑎= 𝑏=1 0 𝑎=2 Symmetrical Binary asymmetrical Trinary asymmetrical Number of steps 2𝑎 + 3 2𝑏+2 − 1 2 ∗ 3𝑏+1 − 1 Number of switches 3𝑎 + 4 2𝑏 + 4 2𝑏 + 6 Number of diodes 0 2𝑏 2𝑏 + 1 Number of sources 𝑎+1 𝑏+1 𝑏+1 Maximum voltage (𝑎 + 1)𝑈1 (2𝑏+1 − 1)𝑈1 (3𝑏+1 − 1)𝑈1 Number of variety 1 𝑏 𝑏 Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝑈𝐷𝐶 (𝑈1 ) Première topologie Commutateurs à l'état passant Deuxième topologie Commutateurs à l'état passant 1 𝑆11 , 𝑆1 𝑆11 , 𝑆13 , 𝑆1 2 𝑆13 , 𝑆1 𝑆12 , 𝑆1 3 𝑆12 , 𝑆1 𝑆3 , 𝑆21 , 𝑆23 4 𝑆3 , 𝑆21 𝑆11 , 𝑆13 , 𝑆2 , 𝑆21 , 𝑆23 5 𝑆11 , 𝑆2 , 𝑆21 𝑆12 , 𝑆2, 𝑆21 , 𝑆23 6 𝑆13 , 𝑆2 , 𝑆21 𝑆3 , 𝑆22 7 𝑆12 , 𝑆2 , 𝑆21 𝑆11 , 𝑆13 , 𝑆2 , 𝑆22 8 𝑆3 , 𝑆23 𝑆11 , 𝑆2 , 𝑆22 9 𝑆11 , 𝑆2 , 𝑆23 - 10 𝑆13 , 𝑆2 , 𝑆23 - 11 𝑆12 , 𝑆2 , 𝑆23 - 12 𝑆3 , 𝑆22 - 13 𝑆11 , 𝑆2 , 𝑆22 - 14 𝑆13 , 𝑆2 , 𝑆22 - 15 𝑆12 , 𝑆2 , 𝑆22 - Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝑈𝐷𝐶 (𝑈1 ) 𝑆32 𝑆33 𝑆31 𝑆22 𝑆23 𝑆21 𝑆12 𝑆13 𝑆11 𝑈𝐷𝐶 (𝑈1 ) 𝑆32 𝑆33 𝑆31 𝑆22 𝑆23 𝑆21 𝑆12 𝑆13 𝑆11 Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 2 𝐏𝑠𝑠𝑤 = 𝑓𝑚,𝑛 𝐶𝑜 𝑈𝑚𝑎𝑥 (III-8) 𝐶𝑜 2 𝐏𝑠𝑤 = ∑𝑘𝑚=1 ∑3𝑛=1 𝑓𝑚,𝑛 𝐶𝑜(𝑚,𝑛) 𝑈max(𝑚,𝑛) (III-9) Chapitre III : 𝐟𝑚,𝑛 = 4 Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝑁𝑜𝑛/𝑜𝑓𝑓 (III-10) 𝑇𝑟𝑒𝑓 𝑆11 𝑆12 𝑆13 𝑆21 𝑆22 𝑆23 𝑆31 𝑆32 𝑆33 𝑈2 𝑈2 𝑈2 𝑈3 𝑈3 𝑈3 𝑈4 𝑈4 𝑈4 𝑈2 𝑈2 𝑈2 𝑈3 + 𝑈4 𝑈3 + 𝑈4 𝑈4 𝑈4 𝑈4 Chapitre III : 4 𝑡 Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝑡 𝑇 2 2 2 𝐏𝑐𝑜𝑛 = 𝑇 ∫0 1 𝑁𝑜𝑛,0 𝑅𝑜𝑛 𝑖𝑏𝑢𝑠 𝑑𝑡 + ∫𝑡 2 𝑁𝑜𝑛,1 𝑅𝑜𝑛 𝑖𝑏𝑢𝑠 𝑑𝑡 + ⋯ + ∫𝑡4 𝑁𝑜𝑛,15 𝑅𝑜𝑛 𝑖𝑏𝑢𝑠 𝑑𝑡 1 15 (III-11) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC 𝐆 = 𝑁𝑠𝑤𝑖𝑡𝑐ℎ𝑒𝑠 × 𝑁𝐷𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 × 𝑁𝐷𝐶 × 𝑁𝑣𝑎𝑟𝑖𝑒𝑡𝑦 (III-12) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (a) (b) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC (a) (a) (b) (b) Chapitre III : Développement de nouvelles topologies de convertisseur DC-AC CHAPITRE IV PROPOSITION DE LA CHAINE GLOBALE ET SON MANAGEMENT Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management CHAPITRE IV PROPOSITION DE LA CHAINE GLOBALE ET SON MANAGEMENT Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Tension de sortie idéale Disposition des capacités Interrupteur à l’état fermé Tension C1 +2E C1 + C2 Sb ▼ +E C1 // C2 Sa, Sc ▲ Tension de sortie idéale Disposition des capacités Interrupteur à l’état fermé Tension C1 Tension C3 +3E C1 + C2 + C3 Sb1, Sb2 ▼ ▼ +2E C1 // C2 + C3 Sa1, Sc1, Sb2 ▲ ▼ +2E C1 + C2 // C3 Sb1, Sa2, Sc2 ▼ ▲ +E C1 // C2 // C3 Sa1, Sc1, Sa2, Sc2 ▲ ▲ Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Tension de sortie idéale Disposition des capacités Interrupteur à l’état fermé Tension C1 Tension C3 Tension C4 +4 E C1 + C2 + C3 + C4 Sb1, Sb2, Sb3 ▼ ▼ ▼ +3 E C1 // C2 + C3 + C4 Sa1, Sc1, Sb2, Sb3 ▲ ▼ ▼ +3 E C1 + C2 // C3 + C4 Sb1, Sa2, Sc2, Sb3 ▼ ▲ ▼ +3 E C1 + C2 + C3// C4 Sb1, Sb2, Sa3, Sc3 ▼ ▼ ▲/▼ +2 E C1 + C2 // C3 // C4 Sb1, Sa2, Sc2, Sa3, Sc3 ▼ ▲ ▲ +2 E C1 // C2 + C3 // C4 Sa1, Sc1, Sb2, Sa3, Sc3 ▲ ▼ ▲/▼ +2 E C1 // C2 // C3 + C4 Sa1, Sc1, Sa2, Sc2, Sb3 ▲ ▲ ▼ +E C1 // C2 // C3 // C4 Sa1, Sc1, Sa2, Sc2, Sa3, Sc3 ▲ ▲ ▲ Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management . Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management L IL Io Ci Co PV generator L battery L Super cappacitor Z Ipv Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management (a) (b) Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management 50Hz 500 0 -500 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.03 0.04 0.05 t(s) 47.5Hz 500 0 -500 0 0.01 0.02 t(s) 52.5Hz 500 0 Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management 1 𝑖𝐿 (𝑡) = − 𝐿 ∫ 𝑣𝐿 (𝑡) 𝑑𝑡 (IV-1) ∗ (𝑡) ∗ (𝑡) 𝑖𝐿∗ (𝑡) = 𝑖𝐿,𝑑 + 𝑖𝐿,𝑞 𝑠𝑤 (IV-2) Avec : 𝑃𝑟𝑒𝑓 𝑖𝑑∗ (𝑡) = √2 𝑉 cos 𝜔𝑡 (IV-3) 𝑖𝑞∗ (𝑡) = √2 𝑉 𝑟𝑒𝑓 sin 𝜔𝑡 (IV-4) 𝑒𝑓𝑓 𝑄 𝑒𝑓𝑓 Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management f 50 Hz Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management f 50 Hz 0.12s t 0.16s Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management 0.12s t 0.16s 0.32s t 0.36s 0.32s t 0.36s Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management 0.42s t 0.46s 0.42s t 0.46s Chapitre IV : Proposition de la chaine globale et son management CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES Conclusion générale CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES Conclusion générale REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES Références Bibliographiques Références bibliographiques Références Bibliographiques Références Bibliographiques Références Bibliographiques Références Bibliographiques Références Bibliographiques 1. 2. 1. 2. 3. ANNEXES