Commande MPPT et Contrôle d un Système Photovoltaïque par la Logique Floue

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1 Commande MPPT et Contrôle d un Système Photovoltaïque ar la Logque Floue Z. Ayache, A. Bendaoud, H. Slman, B. Benazza, H. Mloud, A. Bentaallah 1 Laboratore IRECOM, Unversté Djlal Labès Sd Bel Abbès 22, Algera Résumé - Ce traval résente le rnce de la commande MPPT. Les technques de commande les lus utlsées dans le contrôle MPPT sont revues et étudées, tels que : observaton et erturbaton (O&P) et ncrémentaton de la conductance (IC). L objectf de cette étude est l assocaton de la commande ar logque flou à la commande MPPT et d analyser ans que comarer son comortement ar raort aux autres technques (O&P, IC) utlsées dans le contrôle des systèmes hotovoltaïque. Mots clés : Commande MPPT, observaton et erturbaton, logque floue, générateur hotovoltaïque, I. INTRODUCTION La demande sur l énerge électrque ne cesse d augmenter ces dernères années ans que les contrantes lées à sa roducton, tels que l'effet de olluton et de réchauffement clmatque global, condusent les recherche vers le déveloement des sources d'énerge renouvelables. Dans ce contexte, les systèmes hotovoltaïques (PV) offrent une soluton très concurrentelle. Pour surmonter le roblème de rendement des anneaux solares et obtenr un rendement maxmum, l est nécessare d'otmser la conceton de toutes les artes du système PV. En outre, l est nécessare d otmser les convertsseurs (contnu/contnu) DC/DC emloyés comme nterface entre le générateur PV et la charge afn d extrare le maxmum de ussance et ans fare fonctonner le générateur GPV à son ont de ussance maxmum (MPP) à l ade d un contrôleur MPPT (maxmum ower ont trackng), ar conséquence, obtenr un courant électrque maxmum sous la varaton de la charge et des condtons atmoshérques (lumnosté et temérature). Un nombre mortant de technque de commande MPPT ont été élaboré deus les années 7, commençant ar des technques smles comme les contrôleurs MPPT basés sur le retour d état de la tenson et du courant [1], aux contrôleurs lus erformant utlsant des algorthmes our calculer MPP du GPV, arm les technques les lus utlsées : - Perturbaton et Observaton (P&O). - Incrémentaton de la Conductance (IC). Ces dernères années des technques de commandes lus robuste ont état assocées à la commande MPPT telle que la logque floue afn d augmenter le rendement des anneaux solares. Dans cette ersectve, nous allons résenter les dfférentes artes d un système PV, la commande O&P et IC seront étudés et comarés à une commande MPPT utlsant un contrôleur flou. II. GENERATEUR PHOTOVOLTAÏQUE Le générateur hotovoltaïque GPV est modélsé ar les équatons suvant [4] : I V IR s V IR s q A KT n s n n V s n I L I s e = 1 R (1) P = I. V (2) V P Rs V P Rs q AKT ns V n I n Vs V n V IL Is e = 1 (3) R Le courant du anneau solare I est en foncton de courant I L courant hotonque généré ar l rradaton solare, I s étant le courant de saturaton donné ar le fabrquant, n s et n sont resectvement le nombre de cellules en sére et en arallèle, à facteur déal de la joncton PN, K est le coeffcent de Boltzmann= J/K, T est la temérature, la tenson aux bornes du anneau solare est V. La ussance délvrée ar le anneau P est exrmée ar l équaton 3. Le GPV est fortement nfluencé ar la varaton de la lumnosté et la temérature. En effet, à la fg.1 le GPV est soums à des varatons de lumnosté où l aarat clarement la dmnuton da la ussance et le changement du ont maxmum de ussance MPP.

2 W/m 2 8W/m 2 6W/m 2 5W/m Vv(V) MPP Fg.1. Changement du MPP en foncton de la lumnosté Dans la fg.2 le générateur hotovoltaïque GPV est soums à des varatons de temérature sous une lumnosté constante ; là auss le ont de ussance maxmum MPP change. Le fonctonnement du générateur déend fortement des caractérstques de la charge avec la quelle l est connecté. En outre, our dfférentes valeurs de R, l adataton otmale se rodut our un seul ont de fonctonnement (R o ) nommé ont de ussance maxmal (maxmum ont ower) MPP. En conséquence, our que le générateur fonctonne le lus souvent à son ont maxmum, la soluton communément utlsée est d ntrodure un convertsseur DC/DC qu joue le rôle d adatateur source charge (Fg.4), dans ce cas, le générateur délvre une ussance maxmale. III. SYSTEME PHOTOVOLTAIQUE Le système hotovoltaïque est contrôlé ar la commande MPPT, l est résenté à la Fg T= T=2 T=4 T=6 T=8 MPP Vv(V) Fg.2. Influence de la temérature sur MMP Il faut donc concler ces comortements avec la charge. Lors de la connexon source-charge, l est donc rmordal de tenr comte de la nature varable de la ussance délvrée ar le générateur PV, mas auss de la caractérstque de la charge our qu un ont de fonctonnement sot ossble. Le ont de fonctonnement corresond à l ntersecton de ces deux caractérstques (Fg.3) Iv (A) 5 4 R1 Ro Fg.4. Système hotovoltaïque Le convertsseur statque contnu/contnu (DC/DC) utlsé, est le lus fréquemment utlsé comme convertsseur élévateur (Boost) (Fg.5). Ce convertsseur est rég ar les équatons suvantes : v o = 1 v 1 D 1 = 1 D L = C 1 dt o dv o o = D L C 2 dt (4) (5) (6) dv (1 ) (7) 3 2 R2 d L v = (1 D) vo RLL L (8) dt Vv (V) Où D est le raort cyclque du convertsseur Boost Fg.3. Influence de la charge sur le ont de fonctonnement

3 du MPP, arès.7s. La commande remonte le ont de fonctonnement est le stablse au tour du MPP avec une certane oscllaton qu est causée ar l algorthme de commande. Fg.5. Montage Boost La commande MPPT Indéendamment des aramètres d entrées utlse certans algorthmes afn de fare «monter» le ont de fonctonnement du GPV le long de la caractérstque P(V) jusqu'à attendre le MPP. (Fg.6). Dans ce tye de méthodes, nous ouvons dstnguer les méthodes basées sur la erturbaton et l observaton P&O (Perturb & Observe), ans que celle qu font ael aux méthodes de l ncrémentaton de la conductance. IV. COMMANDE PERTURBATION ET OBSERVATION Le rnce de cette commande est de générer des erturbatons en rédusant ou en augmentant le raort cyclque D et d observer l effet sur la ussance délvrée ar le GPV (Fg.6) [6]. Fg.7. Algorthme de la Perturbaton et Observaton (P&O) Vv(V) Fg.6. Caractérstque de la ussance du générateur PV L algorthme de cette commande est résenté à la Fg.7. S dv/dvv>, la tenson est augmentée, cela ndut une augmentaton du raort cyclque D(k)= D(k- 1)C. C étant une constante d accrémentton S dv/dvv<, la tenson est rédute cela ce tradut ar une dmnuton du raort cyclque D(k)= D(k-1)-C Les résultats de la smulaton du système PV utlsant l algorthme de erturbaton et d observaton sont résentés à la Fg.8 et Fg.9. Dans un remer tems, nous avons soums le système à une varaton de lumnosté de 8 à 1 W/m 2 à l nstant t=4s. Par conséquent, nous constatons dans la Fg.8, une augmentaton de la tenson qu ndut une dmnuton de la ussance, le ont de fonctonnement du système s élogne Fg.8 Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de lumnosté Dans un deuxème tems, afn de vérfer le comortement du système face à une varaton de charge nous augmentons cette dernère de 1 Ω à 15 Ω et nous gardons la lumnosté constante (1 W/m 2 ) à l nstant t=4s, les résultats de la smulaton sont montrés à la Fg.9 L augmentaton de la charge rovoque la dmnuton de la tenson et de la ussance (Fg.9), le ont de fonctonnement (MPP) s élogne et se délace dans la arte gauche de la caractérstque de ussance (Fg.7). Arès.2s

4 le système converge vers MPP malgré la résence de la erturbaton. Vv(V) Fg.9. Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de charge V. COMMANDE A INCREMENTATION DE LA CONDUCTANCE Une autre alternatve à la commande P&O, est la commande à ncrémentaton de conductance qu se base sur la dérvée de la conductance du GPV (dg = div/dvv) our connaître la oston relatve du MPP our alquer une acton de contrôle adéquate oursuvant le MPP (Fg.1) [1] Ares ntroducton de l algorthme à ncrémentaton de la conductance dans notre système et en gardant les mêmes condtons de smulaton alquées au système P&O, les résultats de smulaton sont exosés à la Fg.11 et la Fg. 12. Nous constatons que l algorthme offre un bon suv face aux varatons de lumnosté et de la charge, néanmons, l ondulaton de la tenson est mortante dans le deuxème cas (Fg.12), car la constante de tems du fltre de sorte du convertsseur Boost a changé de valeur, alors que la recherche du MPP du système est lus rade. Pv(V) Vv(V) 4 Fg.11. Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de lumnosté Fg.12 Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de charge VI. LA COMMANDE MPPT FLOU Fg.1. Algorthme ncrémentaton de la conductance Récemment, la commande ar logque floue a été utlsée dans les systèmes de oursute du ont maxmum de ussance MPPT, cette commande offre l avantage d être une commande robuste et relatvement smle à élaborer et elle ne nécesste as la connassance exacte du modèle à réguler. La mse en lace d un contrôleur flou se réalse en tros étaes, qu sont : la fuzzfcaton, l nférence et la défuzzfcaton (Fg.13) [2].

5 Entrée Méthodes floues Fuzzfcaton Inférence Défuzzfcaton Sorte étant de savor avec quels degrés d aartenance. Pluseurs méthodes euvent réondre à cette queston. De notre art, nous avons utlsé la méthode MAX-MIN. Enfn, l nous faut réalser l oératon nverse de la fuzzfcaton, c nous devons calculer une valeur numérque comréhensble ar l envronnement extéreur à artr d une défnton floue est c est le but de la défuzzfcaton. Contrôle ar logque flou Fg.13. Prnce de la commande à logque flou La fuzzfcaton ermet de rendre flou les varables d entrée. Une étae rélmnare consste à défnr un ntervalle de varaton maxmale autorsée our les varables d entrées. Le but de la fuzzfcaton est de transformer les varables d entrée en varables lngustques ou varables floues. Dans notre cas, on a deux varables d entrées qu sont l erreur E(k) et la varaton d erreur CE à l nstant k qu sont défns comme sut : Pv ( k) Pv ( k 1) E( k) = (9) V ( k) P ( k 1) v v CE ( k ) = E ( k ) E ( k 1) (1) Ans ses varables seront qualfes Négatf Grand (NG), Négatf Pett (NP), Erreur nul ou ben zéro (EZ), Postf Pett (PP) et Postf Grant (PG) (Fg.14) E\CE NG NP EZ PP PG NG EZ EZ NG NG NG NP EZ EZ NP NP NP EZ NP EZ EZ EZ PP PP PP PP PP EZ EZ PG PG PG PG EZ EZ Tableau.1. Tableau d nférence. Arès smulaton du système avec la commande MPPT floue, our les mêmes condtons de varaton de lumnosté et de charge alquées aux récédentes commandes. Les Fg.15 et Fg.16 résentent les résultats de la smulaton du système MPPT flou. Dans le cas d une erturbaton causée ar la varaton de lumnosté, le système converge vers MPP et reste stable avec un taux d ondulaton mnme ar raort aux autres tyes de commande, mas avec un tems de convergence lus mortant de l ordre de 1.3s (Fg.15). En revanche, lors d une erturbaton due à la charge, le système est nsensble à la erturbaton, la ussance reste stable et ne subt as de fluctuaton mortante (Fg.16). Vv(V) Fg.14. Degré d aartenance des varables 15 L nférence est une étae qu consste à défnr un raort logque entre les entrées et la sorte. En effet, des règles d aartenance vont être défnes our la sorte comme ça état fat our les entrées, grâces à ces règles un tableau d nférence eut être dressé (Table au. 1) [1,2]. Il est évdent qu une bonne connassance du système est requse our le déveloement d un tel régulateur. En effet, en règle générale, une valeur d entrée est défne ar deux fonctons floues avec des degrés dfférents, ans la sorte sera elle auss défne ar luseurs fonctons, la queston 1 5 Fg.15. Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de lumnosté

6 Vv(V) Fg.16. Allure de la tenson et de la ussance face à une varaton de charge VII. CONCLUSION Afn d'amélorer l'effcacté des systèmes hotovoltaïques, dfférents algorthmes de commandes ntellgentes ont été étudées our la oursute du ont maxmum de ussance dans ce traval. Nous avons commencé ar la résentaton de la conceton et de la smulaton d'un contrôleur basé sur des technques oulares tel que la erturbaton et l observaton et us la commande à ncrémentaton de la conductance.qu offre un melleur comortement que la P&O. La logque floue MPPT a été comaré au contrôleur de P&O et CI. Il a améloré le régme transtore et a rédut les fluctuatons à l état statque. La oursute du ont maxmum est ben accomle avec un taux d ondulaton de la tenson et de la ussance mnme. Face aux dfférentes varatons, les ertes de ussance sont mondres ; ce qu mlque une améloraton du rendement du système ar conséquence. VIII. REFERENCE [1] Salas V, Olıas E, Barrado A, Lazaro A. Revew of the maxmum ower ont trackng algorthms for standalone hotovoltac systems. Solar Energy Materals & Solar Cells 26;9: [2] C. Larbes, S.M. Aı t Chekh*, T. Obed, A. Zerguerras. Genetc algorthms otmzed fuzzy logc control for the maxmum ower ont trackng n hotovoltac system. Renewable Energy 34 (29) [3] Trshan Esram, Patrck L. Chaman, Comarason of Photovoltac Array Maxmum Power Pont Trackng Technques. IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 22, NO. 2, JUNE 27 [4] J.M. Enrque, E. Dura n a, M. Sdrach-de-Cardona b,1, J.M. Andu jar a. Theoretcal assessment of the maxmum ower ont trackng effcency of hotovoltac facltes wth dfferent converter toologes. August 26 [5] Nabl A. Ahmed, Masafum Myatake b. A novel maxmum ower ont trackng for hotovoltac alcatons under artally shaded nsolaton condtons. Setember 27 [6] Thanh Phu Nguyen, solar anel maxmum ower ont tracker, Undergraduate Thess The Unversty of Queensland Deartment of Comuter Scence & Electrcal Engneerng, 19 October 21

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