| Titre : | Contribution à la Modélisation d’un Système de Production d’Energie Electrique Hybride « Eolien – Photovoltaïque » |
| Auteurs : | Dris Mida, Auteur ; Djilani Ben Attous, Directeur de thèse |
| Type de document : | Monographie imprimée |
| Editeur : | جامعة محمد خيضر بسكرة الجزائر, 2019 |
| Langues: | Français |
| Mots-clés: | Eolien,Système Hybride,Photovoltaïque,Energie Solaire,Energie Eolienne,Energie Renouvelable,Simulation |
| Résumé : |
Pour de très nombreuses applications d’intérêt sensible et stratégique comme les relais de Télécommunication, les postes frontières, l’habitat isolé, les dispensaires, etc., hors réseau d’électricité conventionnelle, la disponibilité permanente de la source primaire d’énergie est vitale et conditionne dans une très large mesure, la fiabilité des installations et leur fonctionnement permanent.
Les solutions technologiques classiques apportées par le stockage électrochimique conventionnel sont onéreuses, limitées techniquement en puissance et restreintes en capacité. Celles apportées par les groupes électrogènes, de part la nécessité d’approvisionnement en carburant et celle de leur maintenance, présentent des inconvénients liés le bruit, la pollution et surtout leur mauvais rendement à charge partielle. Les nouvelles solutions technologiques, apportées par les systèmes hybrides, même si elles ne sont pas encore économique compétitives, offrent par contre une sûreté élevée. Toutefois, à la vue de la nécessité du développement durable, ces solutions, avec l’appui de la volonté publique, peuvent être économiquement viables, à moyen et long terme. Le rôle d’un système hybride (éolien – photovoltaïque) de production d’électricité dans les régions isolées en voie de développement n’est pas seulement d’apporter « une puissance énergétique », mais un outil de développement social et économique des zones rurales. Le nombre de kilowattheures produit peut paraître insignifiant devant la capacité de production énergétique du pays, mais ces quelques dizaines ou centaines de kilowattheures peuvent ranimer tout l’espoir d’un village ou d’une communauté. Ainsi, le travail proposé porte une contribution à l’étude d’un système hybride (éolien – photovoltaïque) de production d’énergie électrique. De faire un constat de l’état de recherche dans le domaine de l’éolien – solaire en Algérie. A partir de ce constat, on propose l’introduction d’énergie recouvrable pour répondre aux besoins d’énergie. Le choix optimal d’un système éolien-photovoltaïque destiné à couvrir en totalité ou partiellement les besoins énergétiques d’un site. Le couplage sur le réseau électrique de transport HTB et le réseau basse tension de distribution. Augmentation des heures de fonctionnement. |
| Sommaire : |
Sommaire
Remerciements ………………………………………………………………………………… I Résumé…………………………………………………………………………………………. III Liste des figures………………………………………………………………………………... VI Listes des tableaux……………………………………………………………………………... XI Liste de notations symboliques et abréviations………………………………………………... XII Sommaire………………………………………………………………………………………………. XVIII Introduction générale…………………………………………………………………………... 1 CHAPITRE I : Généralités Sur Les Energies Renouvelables : Solaire Et Eolienne I.1. Introduction………………………………………………………………………………... 5 I.2. Part estimée de l’énergie renouvelable dans la production électrique mondiale, fin 2015 .. 5 I.3. Evaluation des énergies renouvelables en Algérie………………………………………… 6 I.4. Energie solaire……………………………………………………………………………... 7 I.4.1. Généralités sur le soleil…………………………………………………………... 7 I.4.2. Définition de l'énergie solaire …………………………………………………… 9 I.5. Position du soleil…………………………………………………………………………... 11 I.5.1. Coordonnées géographiques terrestres…………………………………………... 11 I.5.2 Déclinaison ó……………………………………………………………………... 12 I.5.3 Angle horaire du soleil (H)……………………………………………………….. 12 I.5.4 Equation du temps ET……………………………………………………………. 13 I.5.5. Durée du jour…………………………………………………………………….. 14 I.5.6. Durée d’ensoleillement Djs d’un capteur (α ,γ)…………………………………... 14 I.6. Energie solaire photovoltaïque ……………………………………………………………. 15 I.6.1. Définition ………………………………………………………………………... 15 I.6.2. Historique ……………………………………………………………………….. 16 I.6.3. L’effet photovoltaïque …………………………………………………………... 17 I.6.3.1. Principe de fonctionnement……………………………………………. 17 I.6.3.2. Cellule photovoltaïque…………………………………………………. 18 I.6.4. Différents types des cellules photovoltaïques……………………………………. 19 I.6.4.1 Cellules monocristallines ………………………………………………. 19 I.6.4.2. Cellules poly-cristallines ………………………………………………. 20 1.6.4.3. Cellules amorphes……………………………………………………... 20 I.6.5. Modules (ou panneaux) PV……………………………………………………… 21 I.6.6. Générateur photovoltaïque(GPV)………………………………………………... 22 I.6.7. Chaîne de conversion de l’énergie solaire photovoltaïque ……………………... 24 I.6.7.1.Installation PV autonome ………………………………………………. 24 I.6.7.2.Installation PV couplée au réseau………………………………………. 24 Sommaire XIX I.6.7.3.Système de conversion …………………………………………………. 25 I.6.7.3.1.Convertisseur continu-continu (DC-DC)……………………... 25 I.6.7.3.2Convertisseur continu-alternatif (DC-AC)…………………….. 25 I.6.7.4.Les autres composants …………………………………………………. 26 I.6.7.5- Les différents types de systèmes photovoltaïques……………………... 27 I.6.7.5.1- Système PV connecté directement au réseau ………………... 27 I.6.7.5.1.1- Structure à convertisseur unique …………………... 27 I.6.7.5.1.2- Structure avec bus à basse tension alternative……... 28 I.6.7.5.2- Système à bus continu intermédiaire ………………………... 28 I.6.7.5.2.1- Structure avec convertisseur forward ……………… 28 I.6.7.5.2.2- Structure avec un convertisseur de type fly-back….. 29 I.6.7.5.2.3- Structure avec hacheur et onduleur ……………….. 29 I.6.8. Avantages et inconvénients d’une installation PV………………………………. 30 I.6.8.1. Avantages………………………………………………………………. 30 I.6.8.2. Inconvénients …………………………………………………………. 31 I.7. Energie éolienne…………………………………………………………………………… 32 I.7.1. Introduction……………………………………………………………………… 32 I.7.2 Historique de l’éolien…………………………………………………………….. 33 I.8. Définition de l'énergie éolienne …………………………………………………………… 34 I.9. Architecture d’une éolienne……………………………………………………………….. 35 I.9.1. Rotor……………………………………………………………………………... 35 I.9.2. Nacelle…………………………………………………………………………… 36 I.9.3. Tour……………………………………………………………………………… 37 I.10. Prince de fonctionnement d'une éolienne………………………………………………… 37 I.11. Caractéristiques des éoliennes …………………………………………………………… 38 I.11.1. Eolienne à axe horizontal ………………………………………………………. 38 I.11.2. Eolienne à axe vertical………………………………………………………….. 39 I.11.3. Comparaison …………………………………………………………………… 40 I-12. Caractéristiques technologiques des éoliennes…………………………………………... 41 I-12.1. Le supportage ………………………………………………………………….. 41 I-12.2. Les pales [34] ………………………………………………………………….. 41 I-12.2.1. Longueur …………………………………………………………….. 42 I-12.2.2. Largeur ………………………………………………………………. 42 I-12.2.3. Le profil ……………………………………………………………… 42 I-12.2.4. Les matériaux ………………………………………………………... 42 I-13. Bilan des forces sur une pale…………………………………………………………….. 43 I-14. Puissance fournie par un aérogénérateur ………………………………………………… 44 I-14.1. Potentiel éolien disponible …………………………………………………….. 44 I-14.2. La puissance moyenne récupérable [35]……………………………………….. 44 I-14.3. La courbe caractéristique d’un aérogénérateur………………………………… 47 I-15. Régulation mécanique de la vitesse de l’éolienne ……………………………………….. 48 Sommaire XX I-15.1.Eoliennes à vitesse fixe et variable ……………………………………………... 50 I-15.1.1.Eolienne à vitesse fixe ………………………………………………... 50 I-15.1.2.Eolienne à vitesse variable…………………………………………… 50 I-16. Critère de choix d’un potentiel éolien …………………………………………………… 51 I-16.1. Le vent …………………………………………………………………………. 51 I-16.2.Gisement éolien en Algérie……………………………………………………... 51 I-16.3. La loi de distribution de weibull ……………………………………………….. 53 I-16.4. La puissance moyenne annuelle fournit par aérogénérateur…………………… 54 I.17. Avantages et inconvénients de l’énergie éolienne……………………………………….. 55 I.17.1. Avantages ……………………………………………………………………… 55 I.17.2. Inconvénients ………………………………………………………………….. 55 I.18. Conclusion……………………………………………………………………………….. 55 CHAPITRE II : Modélliisatiion d’un système hybriide éolliien- photovolltaïïque II.1. Introduction ………………………………………………………………………………. 56 II.2. Systèmes hybrides………………………………………………………………………… 56 II.2.1. Définition……………………………………………………………………….. 56 II.2.2 Classification…………………………………………………………………….. 57 II.2.2.1. Le régime du fonctionnement…………………………………………. 57 II.2.2.2. La structure du système hybride………………………………………. 57 II -3. Modélisation d’un système hybride éolien –photovoltaïque…………………………….. 58 II.4. Descriptions des composantes du système hybride éolien-photovoltaïque………………. 59 II.4.1. Générateurs photovoltaïques……………………………………………………. 59 II.4.2. Modèle d’une cellule solaire photovoltaïque…………………………………... 60 II.4.2.1. - Modèle à une diode (1LM5P)……………………………………….. 60 II.4.2.2. - Modèle à deux diodes (2LM7P)……………………………………... 61 II.4.3. Paramètres externes d’une cellule photovoltaïque……………………………… 64 II.4.3.1.Courant de court –circuit CC I ………………………………………….. 64 II.4.3.2.Tension en circuit ouvert …………………………………………. 64 II.4.3.3. Puissance optimal…………………………………………………….. 64 II.4.3.4. Facteur de forme FF………………………………………………….. 65 II.4.3.5. Rendement énergétique maximum m n ……………………………….. 65 II.4.4. Caractéristique I (V)……………………………………………………………. 66 II.4.5. Caractéristique P(V)……………………………………………………………. 67 II.4.6. Simulation d'un module PV avec le modèle à une seulediode………………… 67 II.4.6.1 Influence de l'éclairement sur les caractéristiques I(V) et P(V)……... 69 II.4.6.2. Influence de la température sur les caractéristiques I(V) et P(V)…… 70 II.4.6.3. Influence de la résistance série sur les caractéristiques I(V) et P(V). 71 II.4.6.4. Influence de la résistance shunt sur les caractéristiques I(V) et P(V). : 72 Sommaire XXI II.4.7. Générateur éolien ………………………………………………………………. 73 II.4.7.1. Introduction …………………………………………………………... 73 II.4.7.2. Types d’aérogénérateur dans les systèmes éoliens……………………. 74 II.4.7.2.1.Générateur asynchrone ……………………………………… 74 II.4.7.2.2. Générateur synchrone ………………………………………. 75 II.4.7.2.2.1 : Modèle simplifié de la MSAP……………………. 76 II.4.7.2.2.2 Modélisation de la machine synchrone à aimants Permanant…………………………………………. 77 II.4.7.2.3. Génératrice à courant continu ……………………………… 81 II.4.7.3. Une comparaison entre les différentes machines [102]……………….. 82 II.4.7.4. Différentes classes d’un système éolien ……………………………… 83 II.4.7.5. Modélisation d’une turbine éolienne ………………………………… 83 II.4.7.5.1. Puissance moyenne annuelle fournit par aérogénérateur [58]. 83 II.4.7.5.2. Facteur de puissance ………………………………………... 84 II .4.8. Modélisation de système de stockage : [62]……………………………………. 85 II .4.8.1. Modèle de la charge de la batterie……………………………………. 86 II .4.8.2. Modèle de la décharge de la batterie ………………………………… 86 II .4.8.3. La tension de la batterie………………………………………………. 86 II .4.9. Convertisseurs………………………………………………………………….. 87 II .4.9.1. Les convertisseurs DC-DC (hacheurs)………………………………. 88 II .4.9.1.1. Hacheur dévolteur………………………………………….. 89 II .4.9.1.2. Hacheur survolteur …………………………………………. 92 II .4.9.1.3.Hacheur dévolteur-survolteur ………………………………. 93 II .4.9.2. Les convertisseurs AC-DC (onduleurs)……………………………… 95 II .4.9.2.1. Structure d'onduleur : ………………………………………. 96 II .4.9.2.2. Classification des onduleurs :………………………………. 97 II .4.9.2.3. Principe de fonctionnement :……………………………….. 97 II .4.9.2.4. Les techniques de commande du redresseur MLI :………… 98 II .4.10. Charges :………………………………………………………………………. 102 II.5. Conclusion :………………………………………………………………………………. 102 CHAPITRE III : Méthodes MPPT applliiquées aux systèmes hybriides Eolliien-Photovolltaïïque III.1. Introduction: ……………………………………………………………………………... 103 III.2.Définition de la commande MPPT :……………………………………………………… 103 III.3 La connexion direct GPV-charge comme mode de transfert de puissance : [67]……….. 104 III.4 La connexion GPV-charge via un étage d'adaptation : [67]……………………………… 106 III.5. Principe de la recherche du point de puissance maximale:……………………………… 107 III.6. Différents types de commandes MPPT pour un Générateur PV: [67]………………….. 109 III.7. Classification des technique MPPT:……………………………………………………... 109 Sommaire XXII III.7.1. Les premiers types de technique MPPT:……………………………………….. 110 III.7.2. Les technique MPPT à algorithme performants:………………………………. 111 III.7.2.1. Technique “ Perturbe and Observe” (P&O) :……………………….. 112 III.7.2.2. Technique MPPT à pas auto adaptatif:………………………………. 113 III.7.2.3. Technique de la conductance Incrémentale (Incrémental Conductance) [72]:…………………………………………………… 115 III.7.3. Les techniques MPPT basées sur des relations de proportionnalité:…………... 118 III.7.3.1. Technique de la fraction de la tension de circuit ouvert du générateur:………………………………………………………….. 118 III.7.3.2. Technique de court-circuit:…………………………………………... 119 III.7.4. Les techniques de différenciation :……………………………………………. 120 III.7.5. Les techniques MPPT basées sur le principe de logique floue:……………….. 120 III-7-5-1. Loi de commande :…………………………………………………... 122 III.7.5.2. Optimisation à cinq classes :…………………………………………. 123 III.7.5.3. Structure de base d’un contrôleur flou dédié au GPV :……………… 125 III.7.6. Les techniques MPPT de réseaux de neurones artificielle:…………………... 126 III.8. Optimisation du rendement énergétique du système éolien [81]:……………………….. 127 III.8.1. Stratégie de la recherche de la puissance maximale pour une turbine éolienne : 127 III.8.1.1. Recherche de la puissance maximale en connaissant la courbe caractéristique CP(λ): ………………………………………………… 128 III.8.1.1.1. Commande en vitesse:……………………………………… 129 III.8.1.1.2.Commande en couple :……………………………………… 130 III.8.1.1.3.Commande indirecte par le pilotage du courant :…………… 134 III.8.1.2. Recherche de la puissance maximale sans la connaissance de la courbe caractéristique CP(λ): ……………………………………….. 135 III.8.1.2.1. La Stratégie P&O(Pertub and Observe) basique :………….. 137 III.8.1.2.2. P&O évoluée combinée à l’ORB :…………………………. 138 III.8.2. Autres méthodes MPPT appliquées à un système éolien[88]:………………... 140 III.8.2.1: Méthode de gradient :………………...……………………………… 140 III.8.2.2. Structure de base d’un contrôleur flou dédié à l’aérogénérateur :……………………...……………………………... 141 III-9- Conclusion :……………………………………………………………………………... 142 CHAPITRE IV : Siimullatiion et Optiimiisatiion D''un Système Hybriide « Eolliien-Photovolltaïïque » IV.1. Introduction :…………………………………………………………………………….. 143 IV.2.Systèmes Hybrides (SEH) :………………………………………………………………. 143 IV.3. Architecture Des Systèmes Hybrides :…………………………………………………... 144 IV.3. 1.Architecture à bus CC:…………………………………………………………. 144 IV.3. 2. Architecture mixte à bus CC / CA :…………………………………………… 145 IV.3. 3. Architecture à bus CA :……………………………………………………….. 147 IV.4. Systèmes de stockage :…………………………………………………………………... 148 IV.5. L'environnement MATLAB/Simulink:………………………………………………….. 150 Sommaire XXIII IV.6. Processus de simulation sous MATLAB/Simulink :…………………………………….. 151 IV.7. Boîte à outils SimPowerSystems………………………………………………………… 151 IV.8. Optimisation de l'électrification d'un site isolé :…………………………………………. 151 IV.8.1 Caractéristique du système hybride simulé :…………………………………… 153 IV.8.1.1 Système Photovoltaïque :……………………………………………... 154 IV.8.1.2 Système Eolien :……………………………………………………… 154 IV.8.1.3 Système de stockage :………………………………………………… 155 IV.8.1.3.1. Contrôle de charge:………………………………………… 156 IV.9. Simulation d'un Système Hybride raccordé au réseau basse tension: …………………... 158 IV.9.1. Réseau électrique :……………………………………………………………... 158 IV.9.2. Problème de connexion des systèmes hybrides au réseau :……………………. 159 IV.9.3. Modèle mathématique du réseau BT :…………………………………………. 160 IV.10. Simulation d'un Système Hybride raccordé au réseau du transport (HTB 400 kV): ….. 162 IV.10.1. Résultats de la Simulation : ………………………………………………….. 163 IV.11.Conclusion :……………………………………………………………………………... 165 Conclusion Générale…………………………………………………………………………… 166 Annexe………………………………………………………………………………………….. 168 Références Bibliographiques…………………………………………………………………... 169 |
Disponibilité (1)
| Cote | Support | Localisation | Statut | Emplacement | |
|---|---|---|---|---|---|
| TH/0968 | Thèse de doctorat | BIB.FAC.ST. | Empruntable |
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| Les convertisseurs de l'électronique de puissance | Delarue, Philippe |
| Transferts thermiques | Taine, J. |
| Modélisation et simulation des machines électriques | Abdessemed, Rachid |
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