Les onduleurs photovoltaïques

Les onduleurs photovoltaïques

Chapitre 2 Pollution harmonique & Stratégies de commandes

Introduction

Ce chapitre met en évidence les effets nocifs engendrés par les charges, ainsi que les effets des harmoniques et leurs caractéristiques.
Diverses méthodes sont utilisées afin de réduire la pollution harmonique. Parmi ces méthodes le filtrage passif et le filtrage actif. Les caractéristiques de ces deux filtres et leurs effets sur les harmoniques seront présentés, et les différentes stratégies de commandes des onduleurs de tension seront aussi étalées.

L’influence des charges sur la sortie de l’onduleur

L‟onduleur photovoltaïque fournit aux charges une tension sinusoïdale de 50 Hz (fréquence du réseau). La forme d’onde du courant fourni par la source en réponse aux besoins de la charge dépend du type de charge.

Charges linéaires

Le courant absorbé par les charges linéaires est sinusoïdal avec la même fréquence que la tension. La loi d’Ohm définit une relation linéaire entre la tension et le courant ( = . ) avec un coefficient constant, l’impédance de charge. Il s’agit, par exemple, des ampoules classiques, des systèmes de chauffage, des moteurs, des transformateurs, …etc. Elles ne contiennent aucun composant électronique actif, seulement des résistances (R), des bobines (L) et des condensateurs (C).

Charges non-linéaires

Le courant absorbé par les charges non-linéaires est périodique, mais pas sinusoïdal : la forme d’onde du courant est déformée par les courants harmoniques.
La loi d’Ohm définissant le rapport entre la tension totale et le courant, n’est plus valide car l’impédance de la charge varie au cours d’une période [9]. Elle s’applique à chaque tension et courant du même rang d’harmoniques h, = . , où est l’impédance de charge pour le rang h donné.
Toutes les charges qui provoquent une distorsion du courant sinusoïdal normal créent des harmoniques, et sont appelées des charges non linéaires. Il s’agit, par exemple, des lampes fluorescentes, des lampes à décharge, d’ordinateurs, de variateurs de vitesse,…etc.
Ces charges non linéaires génèrent des harmoniques de courant et consomment de la puissance réactive, ce qui conduit à des conséquences directes sur la forme d‟ondes de tensions et de courants qui deviennent non sinusoïdale et donc un disfonctionnement de plusieurs appareils sensibles à ce genre de problèmes.
Par conséquent, il est nécessaire de réduire les harmoniques dominants en dessous de 5% comme spécifié dans la norme harmonique IEEE (voir Annexe A).

Les harmoniques

Les harmoniques sont des tensions ou des courants sinusoïdaux dont la fréquence est un multiple entier (h) de la fréquence du réseau, appelée fréquence fondamentale (50 Hz). Lorsqu’elles sont combinées à la tension ou au courant fondamental sinusoïdal, les harmoniques provoquent la distorsion de la forme d’onde de la tension ou du courant. Un exemple de la distorsion de la fondamentale par des harmoniques de rang 3 et 7 est donné sur la figure 2.1. Comme conséquences de cette distorsion, il y a: les surcharges (du conducteur de neutre, des sources…), les déclenchements intempestifs, le vieillissement accéléré et la dégradation du rendement [10].
Figure 2.1 : Déformation de la fondamentale par des harmoniques de rang 3 et de rang 7
La caractérisation des harmoniques peut être définie à l’aide du taux de distorsion harmonique THD. Ce dernier, donnant une mesure de l’influence thermique de l’ensemble des harmoniques, est défini comme étant le rapport de la valeur efficace des harmoniques à la valeur efficace du fondamental. Deux taux de distorsion harmonique sont distingués :
Le taux de distorsion harmonique en courant THDi et en tension THDv [11], il s‟exprime par :
+∞ ℎ 2 +∞ ℎ 2
= ; = (1.12)
1 1
ℎ=2 ℎ=2
Où 1 et1 désignent respectivement les valeurs efficaces de courant et de tension
fondamental, ℎ et ℎ désignent respectivement les valeurs efficaces de courant et de tension harmonique.

Les solutions pour éliminer les harmoniques

Parmi les solutions qui permettent d‟éliminer ou d‟atténuer les harmoniques, il y a le filtrage.
Deux types de filtres sont utilisés à savoir les filtres passifs et les filtres actifs.

Filtrage passif

Le principe du filtrage passif est de modifier localement l’impédance du réseau afin de faire dévier les courants harmoniques et éliminer les tensions harmoniques résultantes. Ces filtres sont composés d’éléments capacitifs et inductifs qui sont disposés de manière à obtenir une résonance série sur une fréquence déterminée.
II est possible de classifier les filtres passifs selon leur emplacement, leur mode de connexion, leur degré d’amortissement et leur fréquence de résonance.
Les filtres passifs peuvent se diviser en deux familles, soit les filtres séries et les filtres parallèles. Selon le type choisi, les harmoniques peuvent être littéralement bloqués par une impédance série élevée (figure 2.2.a) entre l‟onduleur et la charge, déviés par une faible impédance en parallèle (figure 2.2.b) ou une combinaison des deux.
Figure 2.2 : a) Filtre série et b) Filtre parallèle
Le filtre parallèle est utilisé exclusivement du côté alternatif pour deux raisons :
• II porte uniquement le courant harmonique et est lié à la terre.
• À la fréquence fondamentale, il possède l’avantage de fournir de la puissance réactive. Pour une efficacité équivalente au filtre série, le filtre parallèle est beaucoup moins cher. Le filtre parallèle est surtout utilisé dans le cas des charges génératrices de courants harmoniques, alors que le filtre série l’est pour les charges génératrices de tensions harmoniques [12].
Il y a deux types de filtres parallèles: résonnant et amorti. Le filtre résonant ne compense qu’un rang harmonique à la fois alors que le filtre amorti compense les harmoniques dans la limite de sa bande passante.
Les filtres passe-bas sont largement utilisés pour l’atténuation de tout type de fréquences harmoniques au dessus de la fréquence de seuil. Ils peuvent être utilisés sur les charges non linéaires. Ils ne posent pas de menaces pour le système en créant les conditions de résonance. Ils améliorent le facteur de puissance, mais ils doivent être conçus de telle sorte qu’ils soient capables de transporter un courant à pleine charge. Ces filtres bloquent les harmoniques indésirables et permettre une certaine plage de fréquences à transmettre. Sur la figure 2.3, nous donnons deux types de filtres passe-bas :
Figure 2.3 : a) Filtre passe-bas RC, b) Filtre passe-bas LC
Dans le premier cas (figure 2.3.a), c‟est un filtre passe bas RC de premier ordre dont la fonction de transfert est donnée par :
= 1 (2.1)
1 +
1
=
Dans le second cas (figure 2.3.b), c‟est un filtre passe bas LC de deuxième ordre dont la fonction de transfert est donnée par :
= 1 (2.2)
1 + 2
1
=
Où : est la pulsation de coupure.

Filtrage actif

Les filtres actifs sont composés d’onduleurs qui sont des convertisseurs statiques de puissance.
Alimenté par une source de courant ou de tension continue, l’onduleur peut délivrer un courant ou une tension dont le contenu harmonique dépend uniquement de la loi de commande de commutation des interrupteurs [13]. Les filtres actifs agissent donc comme des sources de tension ou de courant harmoniques en opposition de phase avec ceux de l‟onduleur PV afin de rétablir un courant de source quasi sinusoïdal.
Le filtre actif peut être en série ou en parallèle, suivant qu’il est conçu pour compenser les tensions ou les courants harmoniques.
Les filtres actifs peuvent être classifies à partir du type de convertisseur qu’ils utilisent, de leur topologie ou encore de leur nombre de phases. Nous nous limiterons ici à la classification selon leurs différentes topologies. En effet, les filtres actifs peuvent être en série, en parallèle ou hybride [14].

Table des matières

1. Introduction générale
   Chapitre 1 : Les onduleurs photovoltaïques
   1.1. Introduction
   1.2. Généralités
   1.2.1. Description
   1.2.2. Fonctionnement
   1.2.3. Rendement
   1.3. Types d‟onduleurs photovoltaïques
   1.4. Onduleurs multi-niveaux
   1.4.1. Onduleur multi-niveaux à diode de bouclage
   1.4.2. Onduleur multi-niveaux à condensateurs flottants
   1.4.3. Onduleur multi-niveaux à alimentation séparée (en cascade)
   1.5. Conclusion
   Chapitre 2 : Pollution harmonique & Stratégies de commandes
   2.1. Introduction
   2.2. L‟influence des charges sur la sortie de l‟onduleur
   2.2.1. Charges linéaires
   2.2.2. Charges non-linéaires
   2.2.3. Les harmoniques
   2.3. Les solutions pour éliminer les harmoniques
   2.3.1. Filtrage passif
   2.3.2. Filtrage actif
   2.4. Les différentes stratégies de Commande des onduleurs de tension
   2.4.1. La commande en pleine onde
   2.4.2. Modulation de largeur d‟impulsion
   2.4.2.1. La modulation sinus-triangle (MLI sinusoïdale)
   2.4.2.2. La modulation vectorielle (SVM) :
   2.5. Conclusion
   Chapitre 3 : Conception d’un onduleur cascade à cinq niveaux
   3.1. Introduction
   3.2. Modélisation de l‟onduleur cascade à cinq niveaux
   3.2.1. Structure de l‟onduleur à cinq niveaux
   3.2.2. Principe de fonctionnement
   3.2.3. Choix des composants de puissance
   3.3. Commande des interrupteurs
   3.3.1. Cas d‟une charge linéaire
   3.3.2. Cas d‟une charge non-linéaire
   3.4. Conception de l‟onduleur cascade à cinq niveau
   3.5. Conclusion
   Chapitre 4 : Technique MPPT et raccordement au réseau
   4.1. Introduction
   4.2. Etage d‟adaptation DC-DC du système PV avec fonction MPPT
   4.2.1. Les types des convertisseurs DC-DC
   4.2.2. Etage d‟adaptation de type BOOST
   4.2.3. Algorithme de Poursuite du point de puissance maximale P&O
   4.2.4. Amélioration de l‟algorithme P&O
   4.3. Raccordement de l‟onduleur PV au réseau
   4.4. Conclusion
   Conclusion générale
   Références bibliographiques

Télécharger le rapport complet