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Master, Supérieur, Master
  • mémoire - matière potentielle : stockage de données de l' onduleur en fonctionnement au fil des années
  • mémoire - matière potentielle : stockage
  • rapport de stage - matière potentielle : onduleurs pour systèmes photovoltaïques
1 Rapport de stage Onduleurs pour systèmes photovoltaïques autonomes et couplés au réseau de distribution Ralf BETTENHAUSEN Responsable de stage Master 1 Physique et Ingénierie Pr. J.D. LAN-SUN-LUK Spécialité Conversion des énergies Tuteur : Mr P. JEANTY
  • description de l'installation photovoltaïque de la faculté des sciences-le2p ………………14
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Rapport de stage




Onduleurs pour systèmes photovoltaïques autonomes
et couplés au réseau de distribution





Ralf BETTENHAUSEN Responsable de stage
Master 1 Physique et Ingénierie Pr. J.D. LAN-SUN-LUK
Spécialité Conversion des énergies Tuteur : Mr P. JEANTY

1






















2

Table des matières
Remerciements ……………………………………………………………………………………. 5
Introduction ……………………………………………………………………………………… 6
1 Généralités et principe de fonctionnement d’un onduleur : …………………………………….7
1.1 Qu’est-ce qu’un onduleur? ……………………………………………………………… 7
1.2 Caractéristiques propres d’un onduleur pour systèmes photovoltaïque .………………. 7
1.3 Principe de fonctionnement d’un onduleur .……………………………………. 7
1.4 Méthode de recherche du point de puissance maximale MPPT………………………… 8
1.5 Principaux types d’onduleurs …………………………………………………………. 8
1.6 Le rôle du condensateur d’entrée ……………………………. 9
1.7 Caractéristiques améliorées .….…………………………………...…….. 9

2 Etude d’un système photovoltaïque couplé au réseau : ………………………………………..10

2.1 Les différents composants du système : ………………………………………………….10
2.1.1 Les modules photovoltaïques ………….………………………..10
2.1.2 L’onduleur réseau …………………………………………………...10
2.1.2.1 Caractéristiques…………………………………………………………….10
2.1.2.2 Différents types d’onduleurs réseau ……………10
2.1.3 Technologie des onduleurs ...……………………………………………………11
2.1.4 Autres composants…………………………….11

3 Etude d’un système hybride autonome avec stockage par batteries :…………………………11

3.1 Les composants du système autonome : ………………………………………………….11
3.1.1 Les panneaux photovoltaïques ………………………………………….11
3.1.2 L’onduleur mixte DC/DC et DC/AC…………………………11
3.1.2.1 Utilisations …………………………………………………………………11
3.1.2.2 Technologie des onduleurs autonomes ………………….12
3.1.2.3 Critères de choix …………………………………………………..12
3.1.2.4 Techniques de génération du signal sinusoïdal avec différents onduleurs ...12
3.1.3 Le stockage de l’énergie par batteries ………………………………………….13
3.1.3.1 Caractéristiques des batteries solaires ….…………………….13

4 Description de l’installation photovoltaïque de la faculté des sciences-LE2P ………………14

4.1 Descriptions techniques des panneaux photovoltaïques …………………………………14
4.2 Présentation de 2 modèles d’onduleur : ………………………………
4.2.1 L’onduleur de type injection pure : le modèle Gridfit 2200 …………….14
4.2.1.1 Description du Gridfit 2200………………….……………………………..14
4.2.1.2 Conception technique ……………....14
4.2.2 L’onduleur de type mixte injection/stockage: le modèle Sun Profi 3000 ……..15
4.2.2.1 Description de l’appareil ………………………………………………...15
4.2.2.2 Mode de fonctionnement ……………..15
3

4.2.2.3 Schéma d’un système PV avec le Sun Profi ………………………………16
4.2.2.4 a de principe du Sun Profi 3000 ………………….16
4.3 Le parc de batteries PowerSafe …………………...…………………………………….16

5 Acquisition de données issus de l’onduleur via un PC …………….…...………………….…17

5.1 Echange de données et communication ………………………………………………….17
5.2 Présentation du logiciel Gridsoft de l’onduleur Gridfit ……………………….17
5.3 Données brutes au format texte ……………………………………………………..……19
6 Traitement des données ………………………………………………………………………..19
6.1 Données redimensionnées avec un tableur ………………………………………………19
6.2 Programmation et simulation sous Scilab ….……………………………..19
6.3 Exploitation des résultats ……………….………………………………………………..19

Conclusion ……………………………………………………………………………………………22
Annexes ………………………………………………………………………………………………23
Annexe 1 : Caractéristiques techniques du Gridfit 2200 ………………………………………..23
Annexe 2 : Caractéristiques techniques du Sun Profi 3000 …………………………………….24
Annexe 3 : Caractéristiques techniques de la batterie PowerSafe …………………………….25
Annexe 4 : Exemple de fichier brut issu de l’onduleur ………………………………………..26
Annexe 5 : Exemple de fichier redimensionné avec un tableur …………………………………27
Annexe 6 : Programme développé sous Scilab ………………………………………………….28
Bibliographie ………………………………………………………………………………………...29
Lexique ………………………………………………………………………………………..30








4

Remerciements

Je tiens, en premier lieu à remercier Monsieur Pascal Jeanty, ingénieur chercheur au Laboratoire
d’Energétique, d’Electronique et de Procédés (LE2P) de l’Université de la Réunion, qui a effectué
mon suivi au quotidien. Merci à lui pour sa disponibilité et son professionnalisme.
Je tiens également à remercier mon responsable de stage, Pr. Jean Daniel LAN SUN LUK, enseignant
chercheur au LE2P, dont les conseils et les précisions ont été d’un très grand secours.
Merci à l’entreprise Tenesol dont l’envoi de leur ingénieur a permis de résoudre de nombreux
problèmes et défis techniques.













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Introduction
Le marché des systèmes photovoltaïques connaît depuis cette dernière décennie une croissance très
élevée, de l’ordre de 30 à 40 % par an, cette croissance a atteint 62% en 2007 [1] par rapport à 2006.
Les installations photovoltaïques ont produit dans le monde en 2007 une puissance estimée à 2826
MW [1] et cela ne représente que 0,2% de la production mondiale d’électricité [2].Cette croissance
exceptionnelle, surtout pour les systèmes raccordés au réseau de distribution de l’électricité, est due à
de nombreuses innovations technologiques, à la baisse des coûts des modules photovoltaïques, à un
tarif de rachat du kWh photovoltaïque à un prix très attractif dans certains pays attachés à la
production d’électricité d’origine renouvelable et à la réduction des émissions des gaz à effet de serre.
Au niveau national, dans le cadre du « Grenelle de l’environnement », l’objectif de la France est de
produire 20% d’électricité d’origine renouvelable, notamment d’origine photovoltaïque d’ici 2020.Au
niveau local, les installations raccordées au réseau ont produit 3 MWc en 2007. La Réunion
ambitionne, dans le cadre du PRERURE [3], de produire 100 MW d’électricité d’origine
photovoltaïque d’ici 2025.
D’importants efforts de recherche et développement sont menés dans le domaine de l’électronique de
puissance pour contribuer à la maturité technologique des systèmes photovoltaïques. On distingue les
systèmes raccordés au réseau de distribution d’électricité (EDF en France) et les systèmes hybrides
autonomes avec stockage.
Le raccordement au réseau de distribution de systèmes photovoltaïques nécessite un dispositif
électronique appelé « onduleur » qui permet de transformer le courant continu produit par les
panneaux en courant alternatif avec les caractéristiques du réseau en tension, courant, fréquence et
impédance, courant qui sera ensuite injectable dans le réseau et exploitable par les appareils
domestiques. On parle ici d’onduleur DC/AC. Il existe également des onduleurs qui sont à la fois de
type AC/DC et DC/DC pour les systèmes hybrides autonomes avec stockage.
Les performances techniques et la fiabilité de ces onduleurs ne cessent d’augmenter. Généralement, les
constructeurs avancent des rendements supérieurs à 95% et une garantie de l’ordre de 5 ans. Ces
paramètres sont importants car ils influent grandement sur la production électrique annuelle et donc
sur la rentabilité d’un système photovoltaïque.
L’objectif principal de ce rapport est d’étudier le comportement des onduleurs pour systèmes
photovoltaïques, onduleur de type DC/AC et DC/DC.
Ce rapport se divise en 5 parties. La première traite des généralités concernant les différents types
d’onduleurs et leurs principes de fonctionnement. Dans la seconde partie, nous ferons l’étude d’un
système photovoltaïque raccordé au réseau de distribution, dans la troisième partie celle d’un système
photovoltaïque autonome avec stockage. Dans la quatrième partie, une description de l’installation
photovoltaïque de la faculté de sciences sera faite. Dans la dernière partie, une synthèse sera faite
après l’exploitation de données issues d’un onduleur via un PC.


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1. GENERALITES ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN ONDULEUR :
1.1 Qu’est-ce qu’un onduleur ?
Un onduleur, appelé aussi convertisseur, est un dispositif de l’électronique de puissance, qui permet de
transformer la tension continue fournie par les panneaux pour l’adapter à des récepteurs fonctionnant
soit, à une tension continue différente, soit à une tension alternative de fréquence et d’amplitude
standard.
On distingue les onduleurs de tension et les onduleurs de courant en fonction de la source continue
mais ce sont les onduleurs de tension qui sont les plus répandus dans les systèmes industriels et dans
toutes les gammes de puissance (de 1kWc à plusieurs MWc).
1.2 Caractéristiques propres d’un onduleur pour systèmes photovoltaïques :
Les onduleurs destinés aux systèmes photovoltaïques diffèrent quelque peu des onduleurs classiques
en électrotechnique, mais l’objectif de conversion DC/AC est le même. La principale caractéristique
de l’onduleur PV réside dans la recherche du point de fonctionnement maximal ou MPPT en anglais
(« Maximum Power Point Tracking ») car le générateur PV a une caractéristique courant/tension non-
linéaire.
1.3 Principe de fonctionnement d’un onduleur :
Sur le plan électrique, un système photovoltaïque est caractérisé par une tension de circuit ouvert à peu
près constante sur un intervalle de température, qui décroît avec l’augmentation de la température, et
un courant de court-circuit proportionnel à l’éclairement.

Figure 1 : Courbes caractéristiques d'un module photovoltaïque
L’onduleur de tension délivre une tension en créneaux modulée en largeur d’impulsions MLI ou
Modulation par Longueur d’Impulsion (PWM Pulse Width Modulation en anglais). Ces créneaux sont
incompatibles avec les tensions sinusoïdales du réseau de distribution. On place alors entre chaque
sortie de l’onduleur et chaque phase du réseau (onduleur monophasé ou triphasé) une inductance, qui
joue le rôle de filtre et qui permet à l’onduleur de fournir au réseau des courants quasi sinusoïdaux :
l’onduleur de tension devient alors un onduleur de courant. (figure 2)


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UDC : tension aux bornes du condensateur d’entrée
ULI : tension injectée au réseau
Figure 2 : Filtrage de la tension par l’inductance de sortie

La plupart des onduleurs sont des structures en pont constituées le plus souvent d’interrupteurs
électroniques comme des IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) et d’un régulateur. Grace à un jeu
de commutation approprié, réalisé souvent par MLI, l’énergie électrique continue est modulée afin
d’obtenir un signal alternatif à la fréquence du réseau.
Le circuit électrique le plus utilisé est composé d’un pont de transistors commandé par MLI. Le signal
alternatif obtenu est ensuite filtré par une inductance située avant un transformateur afin d’obtenir un
signal sinusoïdal à la fréquence du réseau. Le transformateur ajuste la tension du signal à celle du
réseau et réalise une isolation galvanique du circuit PV avec celui du réseau de distribution, c’est-à-
dire que le courant ne circule pas directement entre les 2 circuits électriques pour éviter les problèmes
d’incompatibilités électromagnétiques.

Source : ISET
Schéma de principe d’un onduleur utilisant un pont de transistor et un transformateur

1.4 Méthode de recherche du point de puissance maximale MPPT :
L’onduleur est composé d’un régulateur, qui recherche en permanence le point de fonctionnement
optimal permettant de soutirer du champ de capteurs sa puissance maximale.Ce point de puissance
maximale se situe dans le coude de la caractéristique courant/tension, là où le produit de la tension et
du courant est maximal. Ce paramètre est très important pour un système PV car l’onduleur pilote
directement le rendement du système. Il existe une vingtaine de méthodes de recherche du point
MPPT, mais les 2 méthodes les plus utilisées sont le Hill-Climbing et le Perturb and Observe.

1.5 Principaux types d’onduleurs :
On distingue plusieurs types d’onduleurs :
- Les onduleurs composés de thyristors, onduleurs de première génération, qui ont l’avantage
d’être simples et peu chers mais qui ont l’inconvénient d’introduire des distorsions
harmoniques importantes qui perturbent le réseau.
- Les onduleurs avec circuit à pont de transistors avec transformateur qui sont les onduleurs
standards les plus utilisés et qui ont supplantés les onduleurs à thyristors.
- Les onduleurs avec circuit à pont de transistors avec convertisseur élévateur (« boost ») qui
permettent d’avoir une gamme de tensions d’entrée plus large.
- Les onduleurs avec un circuit à 3 étages et un transformateur « push-pull » composé d’un
abaisseur de tension, d’un redresseur et d’un pont de sortie. L’abaisseur et un transformateur
permettent d’adapter la tension d’entrée. Le redresseur lisse la tension et le pont adapte la
fréquence à celle du réseau.
8

- Les onduleurs sans transformateurs présentent un rendement élevé mais ont des distorsions
harmoniques élevés.

1.6 Rôle du condensateur d’entrée :
Les circuits de tous les onduleurs photovoltaïques présentés ci-dessus disposent en entrée d’un
condensateur de forte capacité, qui a un rôle très important dans le maintien d’un point de
fonctionnement stable. Il a une fonction d’accumulateur d’énergie et une fonction de filtrage des
fluctuations de tension dues aux commutations. Il assure ainsi un écoulement homogène du courant du
générateur PV vers le réseau en maintenant la tension constante.

1.7 Caractéristiques:

- le rendement maximal : [4]
Le rendement maximal des onduleurs ne cessent d’augmenter. La norme est aujourd’hui un rendement
maximal de 95,2%, mais de performants onduleurs atteignent des pics de 98%.Dans les prochaines
années, la norme sera de 99%.L’amélioration de 1% du rendement divise par 2 les pertes thermiques.

- la gamme de tension d’entrée :
Après le rendement, le paramètre que les fabricants d’onduleurs ont amélioré est la gamme de tension
d’entrée de l’onduleur. L’élargissement de cette gamme permet plus de souplesse dans le choix de
l’onduleur lors du dimensionnement du système PV. Le rajout d’un ou plusieurs panneaux en plus à
un système PV déjà en place ne nécessite plus forcément le changement de l’onduleur mais le point
MPPT ne sera pas toujours atteint. Un élévateur (« boost ») est utilisé pour élever des petites tensions.
On remarque cependant que l’élargissement se fait au détriment du rendement de l’onduleur, plus la
gamme de tension d’entrée est étroite plus le rendement sera maximal et adapté à un système PV.

-durée de vie des onduleurs :
En général, la garantie des constructeurs en 2008 est de 4 ans extensible à 10 ou 20 ans.

-gestion du réseau :
Le développement des systèmes PV raccordés au réseau posera le problème de l’instabilité du réseau
de distribution. On estime qu’à partir de 30% d’électricité photovoltaïque, un réseau sera fortement
perturbé et les fluctuations du courant seront provoquées par la variation de l’ensoleillement
(surtensions à midi et rien la nuit).
Le contrôle et la gestion des onduleurs d’un réseau est simple, en cas de panne du réseau tous les
onduleurs sont déconnectés. Après stabilisation du réseau, les onduleurs sont reconnectés.
L’axe de la technologie dévellopée est l’amélioration des algorithmes de surveillance du réseau, de la
connection et déconnection au réseau. Le but est de diagnostiquer avec précision et très rapidement
(<110 ms) les défaillances du réseau et de déconnecter l’onduleur le plus tard possible, pour qu’il
puisse continuer à participer à la tension du réseau et pour que le particulier puisse continuer à vendre
son électricité sans coupures inutiles.

-sécurité incendie :
La norme impose un intérrupteur DC qui stoppe le générateur PV en cas d’incendie. L’onduleur doit
être séparé du générateur. L’intérrupteur pose un autre problème de sécurité : il ne contrôle pas la
tension en circuit ouvert du générateur PV en cas d’ensoleillement (risque de court-circuit et
d’électrocution)

-mesures de courbes caractéristiques :
Un appareil d’enregistrement de la caractéristique courant/tension est intégré à l’onduleur.Ces données
seront ensuite exploitables via PC.

- mémoire de stockage :
Les nouvelles générations d’onduleurs intègrent plus de mémoire de stockage de données de
l’onduleur en fonctionnement au fil des années (puissance produite, courant,…).
9

-ethernet :
Les données sauvegardées peuvent être transférées via l’interface Ethernet. Cette technologie devrait
se généraliser d’ici 10 ans. Il offre l’avantage que de nombreuses maisons sont déjà équipées de
l’ADSL et peuvent donc acceuillir ce type d’onduleur. Un onduleur avec une connexion Ethernet peut
simplement être rattaché au réseau interne de la maison avec un simple câble et ensuite connecté à
Internet, pouvant ainsi envoyer de données par internet, ou recevoir les nouveaux logiciels du
constructeur. Le standard de communication des onduleurs avec un PC est le RS 232.

-onduleurs pour modules à couches minces :
Des recherches sont éffectuées pour fabriquer des onduleurs adaptés spécifiquement à ce type de
modules.


2. ETUDE D’UN SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE COUPLE AU RESEAU :
2.1 Les composants du système :

2.1.1 Les modules photovoltaïques :
La cellule photovoltaïque est l’élément de base de la conversion du rayonnement. Ce sont leur
association qui forme un module.
Les cellules sont souvent en silicium soit monocristallin ( plus pur,meilleur rendement) , soit en
silicium polycristallin (moins efficace mais meilleur rapport qualité/prix).Il existe également des
cellules en couches minces, et d’autres matériaux photovoltaïques font l’objet de recherches ( cellules
CIS, cellules bio, …etc).L’association en parallèle de plusieurs modules forme un panneau.
Actuellement,le rendement moyen des cellules monocristallines est de 150 Wc/m² et de 100 Wc/m²
pour les cellules polycristallines, soit à peu près 10 et 16%. Le rayonnement au niveau du sol est en
moyenne de 1000 W/m².
Le rendement des cellules ne cesse de s’améliorer et de nombreux records sont établis (60% en
laboratoire ).[6]
Les modules photovoltaïques sont des convertisseurs d’énergie lumineuse en électricité. Le
« module » est un ensemble de photopiles assemblées en série pour générer une puissance électrique
exploitable lors de son exposition à la lumière. En général, la puissance de base des modules d’un
panneau de 0,5 m² est de 150 Wc.

2.1.2 L’onduleur réseau :

2.1.2.1 Caractéristiques :
Tous les onduleurs couplés au reseau incorporent une mesure du point de fonctionnement maximal des
panneaux (MPPT) et des caractérisques comme la déconnexion automatique en cas d’abscence de
réseau, une production minimale d’harmoniques dans le réseau et une grande précision de la
fréquence.

2.1.2.2 Différents modèles d’onduleurs réseau :

-l’ onduleur module :
Modèle le plus petit (100-200W) se plaçant dérrière le panneau produisant directement du 230 V~.
Avantages : pas de cablage, moins sensible aux ombres (car chaque module PV est indépendant)

-l’onduleur chaîne :
Modèle identique à l’onduleur module mais fonctionnant à des puissances plus élevées.

-l’onduleur central :
Modèle de taille intermédiaire (1 à 5 kW) qui est en général monophasé et destiné aux villas et petits
batiments.Le modèle de type « centrale solaire » est en général triphasé pour des puissances pouvant
dépasser plusieurs centaines de kWc.
Avantages :séparation claire des parties DC et AC et une maintenance simplifiée.
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