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PFE Med BOUKHBOUZ
PFE Med BOUKHBOUZ
PFE Med BOUKHBOUZ
Mémoire présenté à
LA FACULTE DES SCIENCES ET TECHNIQUES
Pour obtenir le diplôme de
Soutenu le 12/07/2021
Avant tout,
Je remercie dieu le tout puissant qui m’a donné le courage,
La volonté, la patience et la santé durant toutes ces années d’étude
Et que grâce à lui ce travail a pu être réalisé.
Je dédie tout particulièrement ce travail à mes parents et à ma famille.
Je tiens à exprimer mes remerciements et ma gratitude
À mon encadrant Mr. Y.ZIDANI et aux membres du jury.
Un grand remerciement aussi au Laboratoire LSEET
De la faculté des sciences et techniques Marrakech et à tous ses enseignants.
A toutes les personnes qui ont contribué de près
Ou de loin à l’aboutissement
De ce mémoire
ii
Table des matières
Remerciement............................................................................................................................... ii
Table des matières ....................................................................................................................... iii
Liste des figures............................................................................................................................. v
Liste des tableaux......................................................................................................................... vi
Nomenclature .............................................................................................................................. vi
Introduction générale ................................................................................................................... 1
CHAPITRE 1. SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES ........................................................................................ 3
1. Introduction: ..................................................................................................................................... 4
2. Historique :........................................................................................................................................ 4
3. Systèmes photovoltaïques : .............................................................................................................. 5
4. Structure pour les systèmes PV : ...................................................................................................... 5
4.1 Structure centrale : ................................................................................................................... 5
4.2 Structure range (string) : ........................................................................................................... 6
4.3 Structure multi-chaines :........................................................................................................... 6
4.4 Structure Modulaire : ................................................................................................................ 6
5. Les architectures des onduleurs connectés au réseau : ................................................................... 7
5.1 Conversion mono étage : .......................................................................................................... 7
5.2 Conversion à deux étages : ....................................................................................................... 7
6. Fonctionnement à puissance maximale : ......................................................................................... 8
6.1 Méthode de perturbation et d’observation : ........................................................................... 9
6.2 Méthode conductance incrémentale (INC) : .......................................................................... 10
CHAPITRE 2. ONDULEUR MONOPHASÉ CONNECTÉ AU RÉSEAU ......................................................... 12
1. Introduction : .................................................................................................................................. 13
2. Description du système :................................................................................................................. 14
3. L’étage de conversion DC-DC : ........................................................................................................ 14
3.1 Le convertisseur DC-DC (Clamped Fly-back) : ......................................................................... 14
3.1.1 Circuit de clamp passif : .................................................................................................. 15
3.1.2 Circuit de clamp actif : .................................................................................................... 16
3.2 La boucle de contrôle pour le convertisseur DC-DC : ............................................................. 18
4. L’étage de conversion DC-AC : ........................................................................................................ 18
4.1 Introduction : .......................................................................................................................... 18
iii
4.2 Les interrupteurs en électronique de puissance: ................................................................... 19
4.3 Structure de contrôle de l'onduleur : ..................................................................................... 19
4.3.1 La boucle de régulation de tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 : ..................................................................... 20
4.3.2 La boucle à verrouillage de phase (PLL) : ........................................................................ 20
4.3.3 La boucle de régulation de courant : ............................................................................... 22
5. Technique de Modulation MLI : ...................................................................................................... 23
6. Le filtre LCL : .................................................................................................................................... 23
CHAPITRE 3. SIMULATION ET IMPLÉMENTATION ............................................................................... 26
1. Introduction : .................................................................................................................................. 27
2. Prototypage rapide et DSP : ............................................................................................................ 27
2.1 Plateformes de prototypage : ................................................................................................. 27
2.2 Le microprocesseur DSP TMS320F28035 :.............................................................................. 28
2.3 Matlab Simulink Embedded Coder : ....................................................................................... 28
2.3.1 Target configuration : ..................................................................................................... 28
2.3.2 Les blocs fondamentaux pour Embedded Coder : .......................................................... 29
3. Simulation du système : .................................................................................................................. 30
3.1 Le panneau PV: ....................................................................................................................... 30
3.2 Convertisseur DC-DC : ............................................................................................................. 31
3.3 Convertisseur DC-AC : ............................................................................................................. 32
3.3.1 La boucle de régulation 𝑉𝑏𝑢𝑠 : ....................................................................................... 33
3.3.2 La boucle à verrouillage de phase : ................................................................................. 33
3.3.3 La boucle de régulation de courant : .............................................................................. 34
3.4 La démarche suivre pour calculé les gains des contrôleurs : .................................................. 35
3.5 Filtre LCL : ................................................................................................................................ 37
4. La carte TMDSSOLARUINVKIT : ....................................................................................................... 37
4.1 Description : ............................................................................................................................ 37
4.2 L’adressage pour la carte TMDSSOLARUINVKIT :.................................................................... 38
4.3 Cavaliers et configuration de base de la carte TMDSSOLARUINVKIT : .................................... 39
5. L’implémentation matérielle : ........................................................................................................ 40
5.1 L’étage DC-DC :........................................................................................................................ 41
5.1.1 Analog-to-digital converter (ADC):.................................................................................. 41
5.1.2 Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM):................................................................... 42
5.1.3 Le modèle conçu pour le contrôleur DC-DC :.................................................................. 44
iv
5.2 L’étage DC-AC :........................................................................................................................ 45
5.2.1 Analog-to-digital converter (ADC):.................................................................................. 45
5.2.2 Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM):................................................................... 47
5.2.3 Le modèle conçu pour le contrôleur DC-AC : .................................................................. 50
Conclusion générale .................................................................................................................... 52
Annexe ........................................................................................................................................ 53
Références et bibliographies ...................................................................................................... 64
v
Figure 3.11: la boucle de régulation de courant. ......................................................................................... 34
Figure 3.12: le courant injecté pour une irradiation variable. ..................................................................... 35
Figure 3.13: Les graphiques d'analyse pour PID Tuner. ............................................................................. 36
Figure 3.14: L'identification du système à l'aide du PID Tuner.................................................................. 36
Figure 3.15: l’effet de filtre sur le courant injecté au réseau. ..................................................................... 37
Figure 3.16: La carte TMDSSOLARUINVKIT. ........................................................................................ 37
Figure 3.17: le schéma fonctionnel de TMDSSOLARUINVKIT. ............................................................. 38
Figure 3.18: les différents étages présents sur la carte micro-onduleur solaire. ......................................... 38
Figure 3.19:Emplacement des cavaliers et des connecteurs sur le micro-onduleur solaire C2000............. 39
Figure 3.20: la stratégie de commande pour le micro-onduleur. ................................................................ 41
Figure 3.21: La configuration des blocks ADC pour convertisseur DC-DC. ............................................. 42
Figure 3.22: Schéma block sur Simulink pour les Capteurs de tension et de courant. ............................... 42
Figure 3.23: La configuration des blocks ePWM pour Fly-back. ............................................................... 44
Figure 3.24: Le modèle complet pour la commande de convertisseur DC-DC. ......................................... 44
Figure 3.25: les résultats de la boucle de commande de DC-DC. ............................................................... 45
Figure 3.26:La configuration des blocks ADC pour l’onduleur. ................................................................ 46
Figure 3.27: Schéma block pour les capteurs de l’onduleur. ...................................................................... 47
Figure 3.28: La configuration de block ePWM1 pour l'onduleur. .............................................................. 48
Figure 3.29: La configuration de block ePWM2 pour l'onduleur. .............................................................. 49
Figure 3.30: Modèle conçu pour la commande de l’onduleur. .................................................................. 50
Figure 3.31: ePWM1A et ePWM2A. ......................................................................................................... 50
Figure 3.32: ePWM1A et ePWM1B. .......................................................................................................... 51
Nomenclature
AC : courant alternatif
DC : courant continue
MPPT : maximum power point tracking
INC : conductance incrémentale.
P&O : Perturb & Observe
PWM : Modulation de largeur de l'impulsion MLI
vi
PV : Photovoltaïque
CCS: code composer studio
PLL : phase locked loop
vii
i
Introduction générale
Les sources d'énergies renouvelables, suscite de plus en plus d'intérêt à mesure que la
demande mondiale d'électricité augmente et que les ressources non renouvelables s'épuisent. Les
énergies renouvelables ou vertes sont développées à grande vitesse ces derniers temps, notamment
l'énergie solaire. L'une des méthodes pour récolter l'énergie solaire est l'utilisation de modules
photovoltaïques (PV), qui absorbent l'énergie photonique du soleil et la transforment en électricité
à l'aide d'une jonction P-N. Par rapport à d'autres systèmes d'énergie renouvelable, il n'y a pas de
pièce mobile dans un système solaire, ce qui signifie que les systèmes solaires peuvent durer
longtemps (25 années), avec un minimum de maintenance. Dans les systèmes PV, les onduleurs
sont utilisés pour convertir le courant continu d'un panneau solaire en courant alternatif afin de le
connecter directement au réseau électrique.
Le panneau PV est une source de courant continu non linéaire ; la puissance générée par
ce dernier est influencée par l'irradiation et la température. En raison des caractéristiques volt-
ampère d'un panneau PV, l'algorithme de suivi du point de puissance maximale (MPPT) a été mis
au point pour obtenir la puissance maximale possible du panneau PV, dans toutes les conditions.
Par conséquent, le principal défi dans la conception de tout système PV est d'injecter un courant
propre dans le réseau. Mais l’injection de courant sur le réseau entraine plusieurs problèmes. Les
plus importants concernent la synchronisation, ainsi que la qualité de l’énergie disponible au point
commun de raccordement. Il est alors nécessaire de concevoir correctement les onduleurs
permettant l’interfaçage électrique de la source renouvelable au réseau, et surtout de concevoir
correctement une stratégie de commande d’un micro-onduleur, afin d’assurer une bonne
interconnexion au réseau électrique.
L'objectif principal de ce travail est de modéliser un système PV qui peut être utilisé dans
le laboratoire des Systèmes Electrique et Télécommunications, à la Faculté des sciences et
Techniques Marrakech en utilisant la capacité de génération de code de Matlab et Simulink.
Ce mémoire est décomposé en trois chapitres :
1
Le troisième chapitre présenté les simulations et la démarche à suive pour faire
l’implémentation matériel.
Pour ce faire notre tâche est divisée en objectifs qui doivent être réalisés afin d'atteindre le
but principal.
Ces objectifs peuvent être résumés ainsi :
2
CHAPITRE 1.
SYSTEMES PHOTOVOLTAÏQUES
3
1. Introduction:
La volonté de limiter les sources d'énergie conventionnelles et leur utilisation en raison de
préoccupations environnementales joue un rôle important dans l'augmentation de l'utilisation de la
production d’énergie solaire, améliorer le rendement et augmenter l'installation de systèmes
photovoltaïques. En outre, les factures d'électricité des consommateurs disposant de systèmes PV
en toiture sont considérablement réduites, ce qui constitue un avantage pour les consommateurs.
Le PV a la capacité de générer de l'électricité de manière fiable et propre. Aujourd’hui l’énergie
solaire désormais la troisième énergie renouvelable la plus importante après l’hydraulique et
l’éolien en termes de capacité installée dans le monde, environ 150 GW de capacité solaire ont été
installés jusqu'en 2021[2].
Les systèmes photovoltaïques peuvent être classés en deux groupes principaux : les systèmes
PV autonomes (hors réseau) et les systèmes PV connectés au réseau. Le système autonome
fonctionne indépendamment du réseau électrique par contre, les systèmes PV connectés au réseau,
la conception et le fonctionnement de l'onduleur requièrent une attention particulière afin d'obtenir
un rendement élevé pour diverses structures de puissance. Les exigences relatives à l'onduleur
connecté au réseau sont les suivantes : faible taux de distorsion harmonique (THD) des courants
injectés dans le réseau, suivi du point de puissance maximale, rendement élevé et injection de
puissance contrôlée.
2. Historique :
Au cours des dix dernières années, l'accent a été mis sur l'obtention d'énergie à partir de
ressources renouvelables plutôt que de combustibles fossiles. Cela a conduit au lancement d'une
recherche à grande échelle dans les domaines de l'énergie éolienne et solaire car ces ressources
inépuisables fournissent une énergie propre et durable avec une pollution minimale. De nombreux
pays souhaitent se tourner entièrement vers les énergies renouvelables d'ici quelques années.
Les systèmes d'énergie éolienne sont généralement employés pour la production d'énergie à
grande échelle sous la forme de parcs éoliens, qui sont généralement situés loin de la civilisation
car ils produisent du bruit qui peut diminuer la qualité de vie des personnes résidant à proximité.
Les systèmes de production d'énergie solaire sont de plus en plus courants en raison de la
simplicité de leur le déploiement de systèmes à petite échelle. Dans les endroits où la connexion
au réseau n'est pas possible, on utilise des systèmes PV avec des batteries de secours qui peuvent
également fournir de l'électricité pendant la nuit lorsque la lumière du soleil n'est pas disponible.
Les domaines de recherche sur lesquels se concentrent aujourd'hui les systèmes d'énergie
solaire sont : la conception de l'onduleur, le matériau des modules et la fiabilité du système.
4
3. Systèmes photovoltaïques :
Le photovoltaïque (PV) est une méthode de production d'énergie électrique qui consiste à
convertir le rayonnement solaire en énergie électrique à l'aide de semi-conducteurs qui présentent
l'effet photovoltaïque. La puissance générée par le panneau PV est influencée par l'irradiation et la
température. En raison des caractéristiques volt- ampère d'un panneau PV, l'algorithme de suivi du
point de puissance maximale (MPPT) a été mis au point pour obtenir la puissance maximale
possible du panneau PV, dans toutes les conditions.
Autonome : Dans les systèmes autonomes, l'onduleur est connecté aux charges locales.
Systèmes reliés au réseau : Dans ces systèmes, l'onduleur est connecté au réseau de
courant alternatif.
Le système à structure centrale a une faible efficacité à cause des pertes dans les diodes de
branche, de l'inadéquation entre les modules, d'un MPPT central pour tous les panneaux. Ils
nécessitent également des câbles CC haute tension entre les panneaux et l'onduleur.
5
4.2 Structure range (string) :
Lorsque plusieurs panneaux PV sont connectés en rangées et que chaque rangée possède
son propre onduleur, cette topologie s'appelle une chaîne.
6
Un micro-onduleur n'influence pas les performances des autres micro-onduleurs connectés
à la même liaison.
L'ombre, la neige et la poussière sur un seul panneau solaire, ou une défaillance d'un
panneau, ne réduisent pas de façon disproportionnée le rendement de toute une installation.
Chaque micro-onduleur obtient une puissance maximale en exécutant l'algorithme de suivi
du point de puissance maximale (MPPT) pour son panneau connecté. Ainsi, il n'y a pas
besoin de gros transformateurs ou de condensateurs qui peuvent être remplacés par des
condensateurs à film plus fiables sans ventilateur de refroidissement.
La structure modulaire présente également certains inconvénients.
Le principal inconvénient est le coût initial du système par watt par rapport à la topologie
de l'onduleur à chaîne ou central. mais il est compensé par un meilleur rendement.
Un deuxième inconvénient est que les onduleurs sont situés près du panneau PV et ne sont
donc pas facilement accessibles pour la maintenance. Cependant, une panne ou un
dommage sur un micro-onduleur peut être facilement localisé et rapidement remplacé.
Alors que dans une topologie d'onduleur à chaîne, il est relativement difficile de réparer un
onduleur central ou de trouver un panneau PV spécifique dans une chaîne de panneaux, ce
qui peut dégrader la performance globale du système.
7
sinusoïdal à la tension du réseau. Les convertisseurs sont reliés par un bus DC. Les fonctions
demandées par les applications PV peuvent ici être réparties entre les deux convertisseurs.
8
6.1 Méthode de perturbation et d’observation :
L'une des méthodes les plus populaires de MPPT est la méthode P&O, dont l'organigramme
est montré dans la figure 1.6 :
9
puissance est à droite du MPP, la valeur de la pente ‘’k ‘’est négatif et la tension est diminuée.
L'efficacité de cet algorithme dépend de la taille de la perturbation δV0.
10
Figure 1.8: Organigramme de la méthode de la conductance incrémentale.
11
CHAPITRE 2.
ONDULEUR MONOPHASÉ CONNECTÉ
AU RÉSEAU
12
1. Introduction :
Ces dernières années, la demande d'énergie renouvelable a considérablement augmenté. Le
développement des dispositifs utilisant des énergies propres comme le solaire, éolienne attire de
plus en plus d'attention. La récolte de l'énergie solaire se développe rapidement et jouera un rôle
plus important en tant que source d'énergie mondiale. L'un des moyens de capturer l'énergie solaire
est l'installation des systèmes de production d'électricité photovoltaïques, qui sont connectés au
réseau par l'intermédiaire d'onduleurs. Par conséquent, de nombreuses entreprises se concentrent
sur le développement d'onduleurs photovoltaïques connectés au réseau. Texas Instruments
propose des contrôleurs de signaux numériques, la famille C2000, qui est bien adaptés aux
conceptions d'onduleurs solaires pour l’injection au le réseau.
Les systèmes de production de l’énergie solaire peuvent être classés en deux catégories :
autonomes et connecter au réseau.
Pour les systèmes autonomes l’utilisation des batteries de stockage de l’énergie est nécessaire.
Les batteries assure une tension DC constante à l’entrée de l’onduleur, qui converti le courant
continu en courant alternatif.
Dans les systèmes connectés au réseau, les batteries de stockage n’est pas nécessaire, l’énergie
produit par le panneau PV peut être directement converti en courant alternatif et injecter au réseau
électrique. Pour faire ça, l’onduleur doit être contrôlé à l’aide des boucles de régulation qui assure
l’injection d’une puissance maximale au réseau et éliminer les harmonique présenté dans le
courant.
Dans les systèmes connecter au réseau, les batteries de stockage n’est pas nécessaire, l’énergie
produit par le panneau PV peut être directement converti en courant alternatif et injecter au réseau
électrique. Pour faire ça, l’onduleur doit être contrôlé à l’aide des boucles de régulation qui assure
l’injection d’une puissance maximale au réseau et éliminer les harmonique présenté dans le
courant.
13
2. Description du système :
L’onduleur est constitué d’un convertisseur DC-DC qui assure le suivi du point de puissance
maximale de panneau PV à l’aide d’un algorithme MPPT et amplifier par la suite la tension de
sortie du convertisseur. Ce dernier fournit également une isolation haute fréquence pour l'étage
DC-DC.
La sortie de l’étage DC-DC donne un bus à haute tension, qu’est l’entrée de l’onduleur DC-
AC. L’étage DC-AC maintient la tension de sortie de l’étage DC-DC à un point de consigne
souhaité et injecte un courant sinusoïdal contrôlé dans le réseau. La boule de contrôle de
l’onduleur contient aussi une boucle de verrouillage de phase (PLL) qui assure la synchronisation
du réseau pour maintenir sa forme d'onde de courant verrouillée sur la phase et la fréquence de la
tension du réseau.
14
Figure 2.3: Fly-back traditionnel.
La conception illustrée dans la figure 2.3 impose un niveau de contrainte élevé au transistor
de commutation Q lorsqu’il est OFF.
Le transformateur T peut être modélisé comme une inductance de fuite 𝐿𝐿𝐾 , une inductance
magnétisante coté primaire 𝐿𝑚 et un transformateur idéal. L’inductance de fuite est en série avec
l’interrupteur Q. lorsque l’interrupteur Q est OFF l’énergie emmagasiné dans 𝐿𝑚 est transférée au
secondaire et à la sortie mais l’énergie emmagasiné en 𝐿𝐿𝐾 provoque un pic de tension important
qui sollicite l’interrupteur Q.
Pour résoudre ce problème, on ajout un circuit coté primaire du transformateur (Clamp circuit)
qui permet la décharge de l’inductance de fuite𝐿𝐿𝐾 . Le circuit de clamp doit répondre à plusieurs
objectifs :
Cette technique est simple mais un peu couteuse et le circuit de clamp passif réduit le
rendement du système, car il dissipe l’énergie de l’inducteur sous forme de chaleur. La perte de
puissance pour le circuit clamp passif est proportionnelle à la fréquence de commutation de Q
selon l’équation suivant :
𝑉𝑐𝑙𝑎𝑚𝑝 1
𝑃𝑐𝑙𝑎𝑚𝑝 = ∗ ∗ 𝐿𝑙𝑘 ∗ 𝐼𝑝2 ∗ 𝑓𝑠𝑤 (2.1)
𝑁𝑝 2
𝑉𝑐𝑙𝑎𝑚𝑝 − ∗ 𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑁𝑠
15
3.1.2 Circuit de clamp actif :
Le circuit de clamp actif remplace les deux diodes par un interrupteur de commutation Qc
en série avec une capacité Cc. L’avantage de ce circuit est au lieu de gaspiller l’énergie de
l’inductance sous forme de chaleur il stocke l’énergie dans le condensateur Cc puis en la délivrant
à la sortie plus tard dans le cycle de commutation.
16
Figure 2.5:Schéma du convertisseur Fly-back avec un clamp actif et un multiplicateur de tension.
La tension de sortie du panneau PV, Vpv, est appliquée à l'entrée de convertisseur. Le
transformateur T1, MOSFET Q1, diode D2, et condensateur C2 forment ensemble l'étage Fly-back
conventionnel. Le MOSFET Qac et le condensateur Cac forment le circuit de clamp actif du côté
primaire. Le condensateur C1 et la diode D1 fournissent un circuit multiplicateur de tension à la
sortie du convertisseur Fly-back. Ce circuit multiplicateur fonctionne en mode convertisseur
Forward pour transférer l'énergie de l'entrée à la sortie. Le convertisseur à actif clamp est choisi
pour augmenter la faible tension de sortie du panneau PV vers un bus DC à haute tension. Ce bus
DC haute tension est nécessaire pour injecter du courant dans le réseau électrique.
1
𝑉𝑏𝑢𝑠 = 𝑛12 ∗ ∗𝑉 (2.3)
1 − 𝑑 𝑝𝑣
Finalement on peut constater que l’objectif d’ajout d’un multiplicateur à la partie
secondaire du convertisseur DC-DC est pour transférer le convertisseur Fly-back de type back-
Boost vers Boost et par conséquence trouver un bus à haut tension (400V) à la sortie de
convertisseur.
L’étage DC-DC est commuté à une fréquence égale à 100Khz. Il est évident que, plus la
fréquence du signal est élevée, plus la taille du transformateur nécessaire est petite.
17
3.2 La boucle de contrôle pour le convertisseur DC-DC :
La boucle de contrôle du convertisseur DC-DC est constituée d’un contrôleur de tension,
un algorithme de suivi de point de puissance maximale qui détermine la tension de référence du
panneau PV 𝑉𝑝𝑣−𝑟𝑒𝑓 . Le contrôleur de tension garantit que la tension d'entrée DC/DC est régulée
au niveau de tension de référence 𝑉𝑝𝑣−𝑟𝑒𝑓 qui donne le MPPT en ajustant les cycles de
fonctionnement des interrupteurs de puissance Q1 et Qac.
18
Figure 2.7: schéma d’un onduleur basé sur une structure en pont en H.
4.2 Les interrupteurs en électronique de puissance:
En électronique de puissance on trouve deux catégories de l’interrupteur de commutation.
L’Interrupteur commandé (MOSFET, IGBT) et d’autres à commutation naturelle (Diode PiN,
Schottky). Dans notre projet nous allons intéresser aux interrupteurs commandés. Le tableau 2.1
résumé domaine d’utilisation pour chaque type d’interrupteur [4].
L’onduleur est alimenté par la sortie de l'étage élévateur DC-DC. Pour l'onduleur, le
courant injecté dans le réseau est donné par l'équation :
𝑉𝑏𝑢𝑠 ∗ 𝑑 − 𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑
𝐼𝑔𝑟𝑖𝑑 = (2.4)
𝑍𝐿𝐶𝐿
Pour que l’onduleur injecte un courant dans le réseau, la tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 à la sortie de
l’élévateur doit toujours supérieure à la tension maximale de réseau. De plus la tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 n’est
pas régulée par l’étage DC-DC.
19
Donc la commande de l’onduleur est constituée de deux boucles de contrôle. Une pour
réguler la tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 et l’autre régule le courant.
Le schéma fonctionnel d'une PLL est illustré à la Figure 2.9. Elle comprend un détecteur
de phase (PD) composé d'une transformée de PARK, un filtre de boucle (LPF) et un oscillateur
commandé en tension (VCO).
20
Le bloc de détection de phase (PD) détecte l'erreur de phase en générant un signal
orthogonal et en prenant la transformée de PARK. La génération du signal orthogonal est effectuée
à l'aide d'un intégrateur généralisé du second ordre [5]. Cette méthode permet de régler
sélectivement le générateur de signaux orthogonaux afin de rejeter toutes les fréquences autres que
la fréquence du réseau. Dans l'hypothèse d'un signal d'entrée arbitraire et d'une PLL thêta, la sortie
de détection de phase (PD) est donnée par l'équation suivante :
La méthode proposée qui consiste en la création d'un système orthogonal est décrite à la Figure
2.10.
Les fonctions de transfert en boucle fermée de la structure présentée à la Figure 2.10 sont
définies comme suit :
𝑉′ 𝑘𝑤𝑠
𝐻𝑑 = = 2 (2.5)
𝑉 𝑠 + 𝑘𝑤𝑠 + 𝑤 2
Et
𝑞𝑉 ′ 𝑘𝑤 2
𝐻𝑞 = = 2 (2.6)
𝑉 𝑠 + 𝑘𝑤𝑠 + 𝑤 2
21
4.3.3 La boucle de régulation de courant :
La boucle de régulation de tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 génère l’amplitude de courant de référence qui,
multiplié par la pulsation (t) qui est fournie par la boucle à verrouillage de phase (PLL), permet
d’obtenir le courant de référence instantanée 𝐼𝑔𝑟𝑖𝑑−𝑟𝑓 (𝑡). Ce dernier est utilisé par le contrôleur de
courant avec celui de retour pour fournir le rapport cyclique des interrupteurs de l’onduleur.
En plus, pour tenir compte de la perturbation de l'injection de courant dûe à la tension du réseau,
un terme d'anticipation est introduit pour le calcul du rapport cyclique de l'onduleur. Ceci est
appelé linéarisation par rétroaction.
Le rapport cyclique donné par l’équation suivant :
Il y a deux boucles de contrôle utilisées pour équilibrer le flux de puissance sur les côtés
DC et AC et pour augmenter la qualité de la puissance fournie au réseau. La boucle externe est
une boucle de tension et la boucle interne est une boucle de courant. La Figure 2.12 illustre la
boucle complète de contrôle de l’onduleur pour l’injection au réseau électrique.
22
5. Technique de Modulation MLI :
Pour convertir une tension continue DC à une tension alternative AC, les interrupteurs de
puissance sont commutés en fournissant des impulsions à leur gâchette. Il existe plusieurs
techniques de commande pour les convertisseurs, les plus courantes étant la modulation de largeur
d'impulsion à base de vecteur spatial et la modulation de largeur d'impulsion sinusoïdale.
23
Figure 2.14: Filtre LCL.
Les relations pour calculer les valeurs des composants du filtre LCL est présentés ci-
dessous. Tous les calculs sont effectués pour un circuit monophasé.
L'inductance côté onduleur est dimensionnée comme suit :
𝑉𝑏𝑢𝑠
𝐿𝑖 = (2.8)
4 ∗ 𝑓𝑠 ∗ ∆𝐼𝑙
𝝙𝐼𝑙 est le courant d'ondulation de l'inducteur qui est choisi pour être 20% du courant de phase.
L’inductance totale est choisie en fonction de la chute de tension maximale aux bornes de
l'inductance
La chute maximale est limitée à 10% de la tension nominale.
Donc :
0.1 ∗ 𝑉𝑔
𝐿𝑔 = − 𝐿𝑖
2∗𝜋∗𝑓∗𝐼
𝑆
Avec : 𝐼=𝑉
Alors :
𝐿𝑔 = 7.42𝑚𝐻
24
La capacité est prise comme 5% de la capacité de base. Pour trouver la capacité, la formule donnée
dans la relation suivant est utilisée.
0.05 ∗ 𝑆
𝐶𝑓 = 2
(2.10)
𝑤𝑔𝑟𝑖𝑑 ∗ 𝑉𝑝ℎ
𝐶𝑓 = 0.75µ𝐹
Une résistance d'amortissement en série avec le condensateur du filtre LCL doit être ajoutée afin
d'augmenter les performances du filtre. Elle est donnée par la relation suivante :
1
𝑅𝑑 = (2.11)
3 ∗ 𝑤0 ∗ 𝐶𝑓
𝐿𝑔 + 𝐿𝑖
𝑤0 = √ (2.12)
𝐿𝑔 ∗ 𝐿𝑖 ∗ 𝐶𝑓
25
CHAPITRE 3.
SIMULATION ET IMPLÉMENTATION
26
1. Introduction :
La modélisation et la conception des lois de commande sont souvent répandus et utilisables
dans les projets d’innovation en génie électrique. Sans oublier qu’une plateforme de prototypage
rapide doit valider la commande prévue, à travers l’outil de génération d’un code automatique. En
outre, la réduction du temps est faite après la conception de cette commande au produit final, d’où
le développement d’une plateforme de prototypage rapide à base de DSP. Cette dernière prend en
considération les contraintes liées aux périphériques de microprocesseur dans le modèle de
simulation sous Matlab/Simulink pour générer le code de commande automatiquement vers le
microprocesseur.
Matlab/Simulink est très répandu comme étant outil de modélisation et simulation car il permet
d’intégrer la commande en fonction de transfert, ou en script Matlab dans le modèle de simulation.
Le couplage avec des boites à outils tels que Sim Power System, Simscape permet de modéliser
les systèmes électriques.
Avant d’implémenter une loi de commande dans une carte de commande (DSP …), il est
nécessaire de faire des simulations. Ces derniers doivent représenter le plus possible le système à
étudier, parce que un bon fonctionnement de la commande sera testé dans cette simulation avant
l’implémentation dans la carte de contrôle. Une fois que des résultats satisfaisants sont obtenus, la
structure de contrôle conçue ici, sera utilisée pour générer le code pour programmer DSP
TMS320F28035 en utilisant Simulink et Embedded Coder.
27
2.2 Le microprocesseur DSP TMS320F28035 :
Le microprocesseur TMS320F28035 est utilisable pour la commande des convertisseurs
statiques, comme dans un variateur de vitesse, onduleur solaire, …etc. En effet, ce
microprocesseur a une fréquence élevée de 60 MHz, des périphériques intégrés (ADC, ePWM,
eCAP) et des modes de communication (CAN, SPI, I2C, RS232, …). Sachant que ce
microprocesseur de type DSP est inclus parmi les cibles que Matlab/Simulink avec l’outil
Embedded Coder pourra supporter pour générer le code automatiquement.
28
Figure 3.1: La configuration Target pour Embedded Coder.
Pour la configuration il faut suivre les étapes suivantes :
29
3. Simulation du système :
3.1 Le panneau PV:
Le convertisseur DC-DC supporte 25-45 V DC comme tension d’entrée. Le bloc de
panneaux photovoltaïques disponible dans Simulink est initialisé comme indiqué dans la Figure
3.2.
30
3.2 Convertisseur DC-DC :
Le convertisseur DC-DC est de topologie Fly-back. Ce convertisseur élévateur assure
l’isolation galvanique entre la tension faible à l’entrée et la haute tension de sortie et prend en
charge le suivi du point maximum de puissance de panneau PV.
Le module de convertisseur DC-DC est construit sur MATLAB/Simulink. Le module est
utilisé pour tester les performances de l’algorithme MPPT. La sortir de convertisseur est connecté
à une résistance R=553Ω. Le condensateur est placé entre le panneau PV et le convertisseur sert
pour réduire les oscillations de la tension.
31
Figure 3.5: les résultats de la simulation pour l’algorithme MPPT INC.
La Figure 3.5 présente la variation de la puissance extraite par le panneau solaire à l’aide de
l’algorithme MPPT INC. La puissance varie proportionnellement avec l’irradiation.
3.3 Convertisseur DC-AC :
32
3.3.1 La boucle de régulation 𝑉𝑏𝑢𝑠 :
33
Figure 3.9: La structure de la PPL.
34
La boucle de régulation de courant est constitué de deux boucles, la boucle externe qu’est
responsable par la régulation de tension à l’entrée de l’onduleur et la boucle interne qui permet
d’injecter un courant de même fréquence à celui de la tension de réseau électrique. La Figure 3.11
présente la structure de la boucle sur Simulink. Les résultats sont présentés dans la Figure 3.12
L'application PID Tuner règle automatiquement les gains d'un contrôleur PID pour une
installation SISO afin d'obtenir un équilibre entre performance et robustesse. Il est possible de
spécifier le type de contrôleur, comme les contrôleurs PI, PID avec filtre dérivé ou PID à deux
degrés de liberté (2-DOF). Les graphiques d'analyse permettent d'examiner les performances du
contrôleur dans les domaines temporel et fréquentiel, affiner de manière interactive les
performances du contrôleur pour ajuster la bande passante de la boucle et la marge de phase, ou
pour favoriser le suivi de la consigne ou le rejet des perturbations.
35
Figure 3.13: Les graphiques d'analyse pour PID Tuner.
Pour les modèles Simulink qui ne se linéarisent pas en raison de discontinuités telles que la
modulation de largeur d'impulsion (PWM), il est possible d’utiliser PID Tuner pour créer un
modèle linéaire à partir des données d'entrée-sortie de la simulation à l'aide de l'identification du
système (nécessite System Identification Toolbox). Il est possible également de régler
automatiquement les gains du contrôleur PID en fonction d'une réponse en fréquence estimée de
notre modèle.
36
3.5 Filtre LCL :
Le filtre LCL est utilisé pour limitent les harmoniques qui peuvent être injectées dans le
réseau. La Figure 3.15 présenté l’effet de filtre sur le courant injecté.
4. La carte TMDSSOLARUINVKIT :
4.1 Description :
37
Un convertisseur Fly-back Clamp actives avec un multiplicateur de tension
secondaire.
un onduleur DC/AC relié au réseau.
Un schéma fonctionnel pour la carte est présenté dans la figure ci-dessous :
Figure 3.18: les différents étages présents sur la carte micro-onduleur solaire.
38
4.3 Cavaliers et configuration de base de la carte TMDSSOLARUINVKIT :
Carte de base TMDSSOLARUINVKIT
Carte de contrôle TMDSCNCD28035ISO
Câble USB mini vers A
Alimentation externe isolée de 15 V DC
Alimentation externe isolée de 12 V DC
Figure 3.19:Emplacement des cavaliers et des connecteurs sur le micro-onduleur solaire C2000.
39
Tableau 3.1: Configuration des cavaliers pour l'utilisation de l'alimentation de polarisation
externe sur la carte.
Cavalier pour la polarisation
J15 Ne pas installer les cavaliers externe de 12 V
J38, J39 Ne pas installer les cavaliers Ces cavaliers peuvent être utilisés
pour fournir la polarisation du côté
primaire. Lorsque J38 est occupé, le
côté primaire reçoit la polarisation
primaire est alimenté par la tension
de polarisation de l'entrée PV.
Lorsque J39 est occupé, le côté
primaire est polarisé à partir de
l'alimentation de polarisation du
réseau. (Remarque seul l'un des
cavaliers J15, J38 ou J39 doit être
occupé).
Cavalier pour la polarisation
J40 Installer le cavalier externe de 15V
5. L’implémentation matérielle :
Dans le processus de conception à base de modèles, le modèle de système joue un rôle
central. Toutes les complexités et les erreurs sont prises en compte dans la conception du modèle
qu’est réalisé sur Simulink. Maintenant pour le système de contrôle conçu dans l'environnement
Simulink est utilisé pour générer le code pour le matériel cible qui est un contrôleur DSP Texas
Instruments C2000 Piccolo F28035.
Embedded Coder de Mathworks a un paquet appelé Embedded Coder Support Package for
Texas Instruments C2000 Processors. Il intègre une nouvelle bibliothèque dans Simulink, qui
contient les périphériques et les sous-bibliothèques de IQMath et la commande numérique des
40
moteurs des contrôleurs DSP. Ces périphériques et sous-bibliothèques sont maintenant utilisés
pour créer de nouveaux modèles spécifiques au matériel basés sur le modèle conçu au la partie de
simulation. Afin de pouvoir générer du code.
Le système de contrôle est divisé en deux parties, d'où la création de deux modèles
distincts. L'un est destiné au contrôle du convertisseur DC-DC et l'autre pour le contrôle de
l'onduleur, comme le montre la Figure 3.20.
41
Figure 3.21: La configuration des blocks ADC pour convertisseur DC-DC.
Figure 3.22: Schéma block sur Simulink pour les Capteurs de tension et de courant.
5.1.2 Enhanced Pulse Width Modulator (ePWM):
Le rapport cyclique obtenu après l'application du MPPT, est converti en signal PWM en
utilisant le bloc ePWM disponible dans la bibliothèque Embedded Coder Texas Instruments. On
42
utilise ce bloc pour générer des formes d'onde ePWM. Plusieurs modules ePWM sont disponibles
sur les appareils C28x. Chaque module possède deux sorties, ePWMA et ePWMB. Le Timer
period du PWM est calculée en cycles d'horloge plutôt qu'en secondes pour une meilleure
précision. Le Timer period est calculé en fonction de la sélection du mode de comptage et des
unités de Timer period, comme indiqué sur le Tableau 3.2.
TBCLK et HSPCLKDIV sont choisis comme 1, 𝑓𝑃𝑊𝑀 est la fréquence de convertisseur DC-DC
(100KHz).
Et 𝑓𝑠𝑦𝑠 𝑐𝑙𝑘 est la fréquence d'horloge du contrôleur DSP (60MHz).
Dans notre cas nous avons choisi Up comme mode de comptage, le Timer periode est égale 599.
43
Figure 3.23: La configuration des blocks ePWM pour Fly-back.
5.1.3 Le modèle conçu pour le contrôleur DC-DC :
Le modèle conçu pour le contrôleur DC-DC est présenté dans la figure 3.24 :
44
Figure 3.25: les résultats de la boucle de commande de DC-DC.
5.2 L’étage DC-AC :
La fonction du contrôleur de l'onduleur est de lire la tension𝑉𝑏𝑢𝑠 , la tension du réseau
𝑉𝑔𝑟𝑖𝑑 et l'injection de courant dans le réseau, d'appliquer la PLL, d'appliquer le contrôle de la
tension et du courant et de générer des signaux PWM pour les commutateurs de l'onduleur
connecté au réseau. La procédure de conception est discutée brièvement dans cette partie.
45
Figure 3.26:La configuration des blocks ADC pour l’onduleur.
46
Figure 3.27: Schéma block pour les capteurs de l’onduleur.
Une fois les valeurs réelles obtenues, la PLL est appliquée pour obtenir l'angle de tension du
réseau. Cet angle est utilisé dans la transformation αβ-dq et vice versa.
47
Figure 3.28: La configuration de block ePWM1 pour l'onduleur.
48
Figure 3.29: La configuration de block ePWM2 pour l'onduleur.
49
5.2.3 Le modèle conçu pour le contrôleur DC-AC :
50
Figure 3.32: ePWM1A et ePWM1B.
51
Conclusion générale
Dans ce mémoire, nous avons étudié un des éléments incontournables de la chaîne de
production d’énergie renouvelable, qui est le convertisseur d’énergie faisant le lien entre la
production et la consommation. En particulier, les redresseurs et l’onduleur monophasé connecté
au réseau électrique.
Le travail présenté ici a permis de faire la conception d’une stratégie de commande d’un
onduleur monophasé raccordé au réseau, à base d’une DSP de Texas Instruments sous
l’environnement Matlab/Simulink. Le système conçu est un système à deux étages de traitement
de l'énergie, à savoir le convertisseur DC-DC et le convertisseur DC-AC. L'algorithme MPPT
INC est utilisé pour le suivi du point de puissance maximale, de sorte que le système puisse
fonctionner à la puissance maximale pour des conditions environnementales données.
La structure de contrôle de l'onduleur est basée sur deux boucles, dont la boucle extérieure
est la boucle de contrôle de la tension 𝑉𝑏𝑢𝑠 et la boucle intérieure est celle de contrôle du courant.
Un filtre LCL est utilisé pour l'interconnexion de la sortie de l'onduleur avec le réseau. Ce filtre
assure le filtrage nécessaire des harmoniques présentes dans le courant en raison de la nature de la
commutation des interrupteurs d’électronique de puissance de l'onduleur. Les résultats de la
simulation sont ensuite étudiés et, une fois les résultats souhaités atteints, la structure de contrôle
de ce modèle Simulink est utilisée pour la génération du code en utilisant « Embedded coder
support package for Texas Instruments ».
La connexion physique de l'onduleur au réseau n'a pas été effectuée dans l'expérience en
raison du délai imparti et des exigences de sécurité. La théorie du contrôle de la tension et de la
phase du convertisseur pour exporter les puissances active et réactive est juste appliquée pour la
simulation.
L’approche du contrôle actuel sera appliquée pour les travaux futurs. En outre, la
programmation du microcontrôleur est un défi car il y a beaucoup de choses impliquées comme
les Timers, les interruptions, les modules ePWM et ADC. Il y a au total 8 sorties ePWM et 16
entrées ADC du microcontrôleur pour contrôler les circuits DC/DC et DC/AC.
Ce stage n’a été qu’un épisode terminé qui anticipe tout un chapitre, qui peut être même
l’injection du courant à l’aide de cette carte, tant que la conception a pris assez de temps, mais
c’était un atout pour la découverte de nouvelles notions, nouvelles méthodes, pour se débrouiller
avec une telle problématique avec un esprit plus développé et apprendre à travailler en équipe.
52
Annexe
Les contrôleurs PI :
Contrôleur P I
DC-DC 0.199809098289886 1964.34119391333
Vbus 0.0399953297326923 0.295895228236038
De courant 9.869619631192 233.861334279048
PLL 10 5000
53
du contrôleur pour ajuster la bande passante de la boucle et la marge de phase, ou pour favoriser
le suivi de la consigne ou le rejet des perturbations.
Vous pouvez utiliser PID Tuner avec une installation représentée par un modèle numérique LTI
tel qu'un modèle de fonction de transfert (tf) ou d'espace d'état (ss). Si vous disposez du logiciel
Simulink® Control Design™, vous pouvez utiliser PID Tuner pour régler un contrôleur PID ou
un bloc contrôleur PID (2DOF) dans un modèle Simulink. Si vous disposez du logiciel System
Identification Toolbox™, vous pouvez utiliser l'appli pour estimer une installation à partir de
données mesurées ou simulées et concevoir un contrôleur pour l'installation estimée.
PID Tuner fournit une méthode de réglage PID à boucle unique rapide et largement applicable
pour les blocs de contrôleur PID de Simulink®. Avec cette méthode, vous pouvez régler les
paramètres du contrôleur PID pour obtenir une conception robuste avec le temps de réponse
souhaité.
Un flux de travail de conception typique avec le Tuner PID implique les tâches suivantes :
54
Clique sur l’icône Plant sélectionné Identify new plant
55
Cliquer sur Rain pour simuler le module
56
Régler le contrôleur dans le Tuner PID en ajustant manuellement les critères de conception
dans deux modes de conception. Le tuner calcule les paramètres PID qui stabilisent le
système de manière robuste.
57
Exportez les paramètres du contrôleur conçu vers le bloc du contrôleur PID et vérifiez la
performance du contrôleur dans Simulink.
58
Schéma complet de la carte TMDSSOLARUINVKIT.
59
Schéma pour la carte de commande Piccolo.
60
La structure de simulation pour l’onduleur connecté au réseau.
61
L’algorithme MPPT INC.
62
63
Références et bibliographies
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Microcontroller’’, Texas Instruments. [Online]: tidu608.pdf.(consulté le 11/03/2021).
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[3] Giorgio Spiazzi, Member, IEEE, Paolo Mattavelli, Member, IEEE, and Alessandro Costabeber,
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RÉDUCTION DE LA BANQUE DE CONDENSATEURS, EN VUE D'ACCROÎTRE LA DURÉE DE VIE DU
CONVERTISSEUR.
[5] Mihai Ciobotaru, Remus Teodorescu and Frede Blaabjerg. “A New Single-Phase PLL Structure
Based on Second Order Generalized Integrator “, Conference Paper in PESC Record - IEEE Annual Power
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[6] eng Zeng, HuanYang, Rongxiang Zhao, Chong Chen, “Topologies and control strategies of multi-
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[7] "Detailed Model of a 100-kW Grid-Connected PV Array - MATLAB & Simulink Example - MathWorks
United Kingdom", Se.mathworks.com. [Online].
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pv-array.html. (Consulté le 15/04/2021)
[9] "CCSTUDIO Code Composer Studio (CCS) Integrated Development Environment (IDE) | TI.com",
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