Réalisation d un étage d adaptation pour générateur photovoltaïque à partir d un girateur de puissance

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1 Réalisation d un étage d adaptation pour générateur photovoltaïque à partir d un girateur de puissance Diplôme: Ingénieur Technique Industriel: Electronique Industriel. AUTEUR : Maite Sanchez Rodriguez DIRECTEURS : Cédric Cabal, Corinne Alonso, Angel Cid Pastor Date : juin / 2008

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3 Avant-propos Le CNRS : Avec personnes (dont 600 chercheurs et ingénieurs, techniciens et administratifs), un budget qui s'élève à 2 24 millions d'euros HT pour l'année 2004, une implantation sur l'ensemble du territoire national, le CNRS exerce son activité dans tous les champs de la connaissance, en s'appuyant sur 260 unités de recherche et de service. Le CNRS est présent dans toutes les disciplines majeures regroupées au sein de six départements scientifiques : Mathématiques, informatique, physique, planètes et univers (MIPPU) Chimie Vivant Homme et société Environnement et développement durable (EDD) Ingénierie. Le LAAS : Le LAAS (Laboratoire d Analyse des Architectures des Systèmes) est une unité propre de recherche du Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), rattaché au Département Sciences et Technologies de l'information et de la Communication (STIC), il est associé à trois établissements d'enseignement supérieur de Toulouse : l'université Paul Sabatier (UPS), l'institut National des Sciences Appliquées (INSA) et l'institut National Polytechnique (INP). Le LAAS compte environ 500 personnes. Le laboratoire est organisé en 4 pôles : - le Pôle Micro et Nanosystèmes : MINAS - le Pôle Modélisation, Optimisation et Conduite des Systèmes : MOCOSY - le Pôle Robots et Systèmes Autonomes : ROSA - le Pôle Systèmes Informatiques Critiques : SINC Ces pôles englobent plusieurs groupes, personnellement j ai travaillé dans le groupe ISGE : Intégration des Systèmes de Gestion de l'energie qui appartient au pôle MINAS. iii

4 Remerciements Je tiens à remercier, tout d abord l ensemble du personnel du LAAS-CNRS de Toulouse pour m avoir accueilli au sein de son organisme afin d y accomplir mon projet de fin d étude et plus particulièrement Mme Marise Bafleur responsable du groupe ISGE, pour m avoir permis d effectuer mon stage au sein de son groupe de recherche. Je souhaite aussi remercier Mme Corinne Alonso pour m avoir donné la possibilité de réaliser ce projet d études au LAAS-CNRS. Ma reconnaissance s adresse à Cédric Cabal, mon tuteur de stage, pour son accueil chaleureux, sa disponibilité, sa confiance et ses qualités humaines qui ont rendu ce stage très intéressant. Je le remercie également pour sa patience, l amabilité et le soutien technique qu il m a apporté. Un gros merci à Angel Cid Pastor pour m avoir permis de réaliser ce projet à l étranger et pour sa disponibilité tout au long de mon année universitaire. Je remercie également Lionel Seguiers, pour ses attentions et ses conseils techniques apportés durant ce stage. Je remercie par ailleurs mes collègues de bureau, Jean François Reynaud, Loic Theolier, Yann Weber ainsi qu Adan Simon pour les bons moments partagé. iv

5 SOMMAIRE Avant-propos...iii Introduction Girateur de puissance Définition Classification des girateurs de puissance Girateur de type G Girateur de puissance avec courant de sortie contrôlé Analyse de la stabilité d un convertisseur BIF avec courant de sortie contrôlé Analyse du convertisseur BIF comme girateur de puissance Rappel du convertisseur Buck Girateur de puissance de type G basé sur le convertisseur BIF Girateur de puissance associé à une commande MPPT Energie photovoltaïque Electricité photovoltaïque Constitution d un générateur photovoltaïque Protection classique d un GPV Connexion directe entre la source PV et une charge DC Site photovoltaïque (PV) du LAAS-CNRS Principe de la commande MPPT numérique du LAAS-CNRS Description de la commande MPPT extrémale du LAAS-CNRS Etage d adaptation à partir du girateur BIF Principe du girateur BIF associé à la commande MPPT Résultats expérimentaux Réalisation électronique d un girateur de type G avec filtre d entrée (BIF) Schéma électronique du girateur G Emplacement des composants constituant le girateur BIF Conclusion Références Bibliographiques...43 v

6 LISTE DES TABLEAUX Tableau 2. : Résumé des valeurs obtenues suite à une variation de charge....3 Tableau 2.2 : Résume des valeurs obtenues suite à une variation de la tension d entrée....4 Tableau 2.3 : Résume des valeurs obtenues suite à une variation du rapport cyclique....5 Tableau 2.4 : Résumé de l évolution des variables du convertisseur Buck sous différentes variations....5 Tableau 2.5 : Résume des valeurs obtenues...8 Tableau 3. : Caractéristiques du panneau solaire du LAAS-CNRS...28 Tableau 4. : Caractéristiques les plus importantes du PIC8F220 [2]...40 vi

7 LISTE DES FIGURES Figure 2- : Girateur de type G avec courant de sortie contrôlé assurant la Conversion Tension-Courant....4 Figure 2-2 : Girateur de type G avec courant d'entrée contrôlé assurant la Conversion Courant-Tension....4 Figure 2-3 : Schéma de principe d'un girateur de type G avec courant de sortie contrôlé et fréquence de commutation variable à base de convertisseur statique...5 Figure 2-4 : Convertisseur BIF...6 Figure 2-5 : Réseau d'amortissement...6 Figure 2-6 : Convertisseur BIF avec réseau d'amortissement...7 Figure 2-7 : Structure du convertisseur Buck....8 Figure 2-8 : Fonctionnement du convertisseur Buck à l état ON...9 Figure 2-9 : Fonctionnement du convertisseur Buck à l'état OFF....9 Figure 2-0 : Forme d onde de la tension et du courant d entrée et de sortie du convertisseur Buck en régime stationnaire....9 Figure 2- : Schéma de simulation du convertisseur buck....0 Figure 2-2 : Evolution du courant dans l inductance... Figure 2-3 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation de charge....3 Figure 2-4 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation de la tension d entrée....3 Figure 2-5 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation du rapport cyclique....4 Figure 2-6 : Relevés du comportement du BIF en mode stationnaire avec g=0.5ω Figure 2-7 : Schéma de simulations du BIF...6 Figure 2-8 : Comportement du BIF avec une perturbation sur la tension d entré avec g=0.5 Ω-...9 Figure 2-9 : Comportement du BIF avec une perturbation sur la résistance de sortie avec g=0.5 Ω Figure 3- : Structure d une cellule photovoltaïque au silicium (jonction PN) Figure 3-2 : Caractéristique I(V) d une cellule photovoltaïque Figure 3-3 : Schéma équivalent électrique d une cellule PV...23 Figure 3-4 : Association de deux modules PV commerciaux en parallèles avec leurs diodes de protections Figure 3-5 : Caractéristiques de puissance d un module photovoltaïque commercial de 00W Figure 3-6 : Connexion directe entre un GPV et une charge par le biais d une diode anti-retour...25 Figure 3-7 : Points de fonctionnement d un GPV en fonction de la charge en connexion directe Figure 3-8 : Etage d adaptation jouant le rôle d interface de puissance entre un GPV et une charge pour le transfert de Pmax du GPV...27 Figure 3-9 : Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque d un transformateur DC contrôlé par une commande MPPT Figure 3-0: Site photovoltaïque du LAAS-CNRS Figure 3-: Schéma block de la commande MPPT numérique du LAAS-CNRS vii

8 Figure 3-2: Principe du mode de recherche de la commande MPPT extrémale numérique du LAAS-CNRS....3 Figure 3-3: Schéma de principe de l algorithme MPPT...32 Figure 3-4 : Convertisseur BIF associé à une commande MPPT numérique Figure 3-5 : Relevé expérimental en régime établit d un girateur BIF Figure 3-6 : Réponse du système lors d une variation positive du courant IPV Figure 3-7: Réponse du système lors d une variation négative du courant IPV Figure 4- : Schéma électronique du girateur G avec filtre d'entrée (BIF) Figure 4-2 : Schéma du convertisseur BIF avec le driver Figure 4-3 : Multiplier Figure 4-4 : Comparateur LM Figure 4-5 : Microcontrôleur PIC8F Figure 4-6 : Vue TOP d'un girateur de type G avec filtre d'entrée (BIF)...40 Figure 4-7 : Vue BOTTON d'un girateur de type G avec filtre d'entrée (BIF)...4 Figure 4-8 : Réalisation de la carte d'un d un girateur de type G avec filtre d entrée (BIF)...4 viii

9 LISTE DES ABREVIATIONS PV GPV PPM BIF MPPT POPI MPVE DC PWM CC Fem AOP V OPT et I OPT Photovoltaïque Générateur photovoltaïque Point de puissance maximale Buck Input Filter Maximum power point tracking Power output = Power input Modules photovoltaïques électroniques Direct current Pulse width modulation Courant continu Force électromotrice Amplificateur operational Tension et Courant optimaux correspondant à P MAX ix

10 Introduction. L énergie solaire photovoltaïque provient de la transformation directe d une partie du rayonnement solaire en énergie électrique. Cette conversion d énergie s effectue par le biais d une cellule dite photovoltaïque (PV) basée sur un phénomène physique appelé effet photovoltaïque qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé pour la fabrication de la cellule. L association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donnent lieu à un générateur photovoltaïque (GPV) qui a une caractéristique courant-tension (I-V) non linéaire présentant un point de puissance maximale. La caractéristique I-V du GPV dépend du niveau d éclairement et de la température de la cellule ainsi que du vieillissement de l ensemble. De plus, son point de fonctionnement du GPV dépend directement de la charge qu il alimente. Afin d extraire en chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du GPV, nous introduisons un étage d adaptation entre le générateur et la charge pour coupler les deux éléments le plus parfaitement possible. Le problème du couplage parfait entre un générateur photovoltaïque et une charge de type continue n est pas encore réellement résolu. Un des verrous technologiques qui existe dans ce type de couplage est le problème du transfert de la puissance maximale du générateur photovoltaïque (GPV) à la charge qui souffre souvent d une mauvaise adaptation. Le point de fonctionnement qui en découle est alors parfois très éloigné du point de puissance maximale (PPM). La littérature propose une grande quantité de solutions sur l algorithme de contrôle qui effectue une recherche de point de puissance maximale lorsque le GPV est couplé à une charge à travers un convertisseur statique. Les convertisseurs statiques, adaptés à l énergie solaire photovoltaïque, sont souvent appelés dans le commerce «convertisseurs solaires». Ils ont comme objectif d adapter l énergie électrique qui provient des panneaux photovoltaïques, pour pouvoir alimenter des charges alternatives. Certains régulateurs recherchent le point optimal de fonctionnement nommé PPM (Point de Puissance Maximale) correspondant à une tension et un courant de panneau PV optimaux (nommés respectivement V OPT et I OPT ) pour lesquels la puissance maximale dépend d un certain nombre de paramètres météorologiques, tel que le niveau d irradiation solaire et la température. L objectif du projet est de concevoir un étage d adaptation à partir d une structure giratrice BIF qui soit compatible avec la commande MPPT numérique, développée par Alain Bilbao (ancien élève de l ETSE-URV). Ce convertisseur a été choisi pour faciliter, de par ses propriétés intrinsèques, la mise en parallèle de plusieurs modules photovoltaïques électroniques. Tout d abord, nous définissons et nous présentons, dans ce rapport, le girateur de puissance avec courant de sortie contrôle. La première partie de la section 3, présente l énergie solaire et ses principaux inconvénients, tandis que la fin est consacrée à l utilisation d un girateur BIF comme étage d adaptation. Finalement, le détail de la

11 réalisation électronique et les conclusions générales de ce projet seront présentés respectivement dans les sections 4 et 5. 2

12 2 Girateur de puissance 2. Définition Un girateur est un élément diports dans lequel la variable «tension» d un port est proportionnelle à la variable «courant» de l autre port. Cela entraîne un comportement dual entre le port d entrée et celui de sortie. Par exemple, une capacité (source de tension) sur le port de sortie est vue comme une inductance (source de courant) sur le port d entrée. En résumé, une source de tension est transformée en une source de courant. 2.2 Classification des girateurs de puissance D un point de vue circuit, un girateur de puissance est une structure à deux ports caractérisée par l une des paires d équations décrites ci-dessous : I e = gv s (2.) I = (2.2) s gv e V e = ri s (2.3) V = (2.4) s ri e Ou I e, V e et I s, V s correspondent, respectivement, aux valeurs continues du courant et de la tension disponible sur chaque port (entré et sortie) et g (r) représente la conductance (résistance) []. Ce type de structure nommé girateur de puissance peut être classé suivant la manière qu il transforme sa source d excitation sur le port d entrée en son dual sur le port de sortie. Ainsi, nous pouvons distinguer deux types de famille de girateur de puissance : les girateurs de puissance de type G avec le courant d entrée ou de sortie contrôlé (équations (2.-2.2)), et les girateurs de puissance de type R avec la tension d entrée ou de sortie contrôlé (équations ( )) []. Pour les couples d expressions (2.-2.2) et ( ), la puissance moyenne absorbée à l entrée (V e I e ) est égale à la puissance transférée à la sortie (V s I s ), cela signifie que ces structures respectent la propriété de conservation de puissance (POPI) suggérant ainsi que les deux types de girateurs puissent être réalisés à l aide de convertisseurs à découpage continu-continu. Dans la suite du rapport, et pour notre application photovoltaïque, nous nous intéresserons qu aux propriétés de la famille des girateurs de type G. 3

13 2.3 Girateur de type G En fonction des expressions (2.-2.2), et suivant le courant que l on contrôle nous obtenons deux types de conversion : ) une conversion Tension-Courant, si l on contrôle le courant de sortie (I s =gv e ), comme le montre la figure 2-. 2) une conversion Courant-Tension, si l on contrôle le courant d entrée (I e =gv s ), comme décrit sur la figure 2-2. Ie Is - Ve - G GIRATEUR Vs - gve Figure 0- : Girateur de type G avec courant de sortie contrôlé assurant la Conversion Tension-Courant. Ie Is gvs Ve - G GIRATEUR Vs - - Figure 0-2 : Girateur de type G avec courant d'entrée contrôlé assurant la Conversion Courant-Tension. Une des applications des girateurs de la catégorie en puissance concerne la mise en parallèle de convertisseur de puissance. Cela découle directement des propriétés de son port de sortie assimilable à une source de courant. Les girateurs de la catégorie 2 ont pour principale propriété la transformation d une source de tension sur le port de sortie en une source de courant sur le port d entrée. Le but de notre projet est basé sur la conception d un étage d adaptation favorisant la mise en parallèle de plusieurs modules photovoltaïques électroniques (MPVE) sur la même charge DC. De ce fait, les propriétés apportées par les girateurs de la catégorie correspondent idéalement à notre application. Dans la suite du document seul les girateurs de type G avec courant de sortie contrôlé seront analysés Girateur de puissance avec courant de sortie contrôlé L objectif de cette étude est la conception d une structure de conversion se comportant comme un girateur de puissance de type G avec courant de sortie contrôlé, pour rappel cette structure doit répondre en régime statique à l équation : 4

14 I s = gv e (2.2) Dans ce cas I s et V e correspondent, respectivement, aux valeurs moyennes du courant de sortie et de la tension d entrée. La figure 2-3, représente la structure générale du circuit permettant de réaliser un girateur de type G avec courant de sortie contrôlé à base de convertisseur DC-DC. Convertisseur à Decoupage DC-DC I e I s v e - v s - u (t) u t 0 S(x) S(x) = Is-gVe -g Σ Figure 0-3 : Schéma de principe d'un girateur de type G avec courant de sortie contrôlé et fréquence de commutation variable à base de convertisseur statique. Pour obtenir un comportement de type G avec courant de sortie contrôlé, il suffit de piloter un convertisseur à découpage à travers une boucle fonctionnant en mode de glissement et répondant à la surface de commutation suivante : S(x) = I s -gv e. En régime établit S(x) = 0 impliquant alors directement I s = gv e et indirectement I e = gv s à travers la loi de conservation de puissance, considérant que le convertisseur soit idéal. Il faut noter également que l imposition du mode de glissement sur le courant de sortie exige la présence d une inductance sur le port de sortie, réalisant ainsi la fonction de filtre de courant pour que le courant de sortie soit assimilable à courant continu. Dans la littérature, il existe de nombreux convertisseurs possédant naturellement une inductance sur le port de sortie tels que : - le convertisseur Buck, - le convertisseur Cuk, - le convertisseur Cuk avec isolation galvanique. Pour des raisons de rendement de conversion, comme démontré dans la thèse d Angel Cid-Pastor [3], la structure retenue pour la suite du projet est le convertisseur Buck. 5

15 D un autre coté, pour des raisons de minimisation d interférences électromagnétiques, nous plaçons également une inductance en série sur le port d entrée. De ce fait la structure passe d un ordre 2 à un ordre 4, comme le montre la figure 2-4, devenant ainsi un convertisseur abaisseur possédant un filtre d entrée, couramment appelé BIF (de l anglais buck Input Filter). L L2 Ve - Ie C Is C2 Vs - R Figure 0-4 : Convertisseur BIF Analyse de la stabilité d un convertisseur BIF avec courant de sortie contrôlé L analyse de stabilité d un BIF en tant que girateur de puissance de type G avec courant de sortie contrôlé à fréquence variable de commutation a déjà été réalisée par Angel Cid-Pastor [4]. Dans cette section, seuls les résultats pertinents de cette analyse sont rappelés. L équation caractéristique résultante du système est la suivante : correspondant à un système instable. g² R s s² s = 0 (2.5) RC2 C LC Le convertisseur BIF devant travailler comme un girateur de puissance peut être stabilisé à l aide d un réseau correcteur inséré dans la boucle de contrôle suivant la technique décrite en [4]. Afin de réduire la complexité de la commande, la solution retenue consiste à introduire des réseaux d amortissement en parallèle sur le condensateur C et en série avec l inductance d entrée L comme décrit sur la figure 2-5. Cd Rd C L La Ra Figure 0-5 : Réseau d'amortissement. Une fois les circuits d amortissement placés, l expression de l équation caractéristique devient : 6

16 7 0 ) ( 2 = s P RC s (2.6) avec d d d d d d d C L C R s C C R R g L C s C R g C R C R s s P 3 ² ² ² ) ( = (2.7) Après l application du critère de Routh sur le polynôme caractéristique (2.7), nous pouvons définir les conditions de stabilité telles que : R g C C C R d d d 2 < (2.8) g 2 RL C R d d > (2.9) d d d d d d C R C L R g C C RL g C RR g ) ( ) ( < (2.0) Prenant en compte les conditions de stabilité de (2.8) à (2.0), nous avons dimensionné le convertisseur BIF ainsi que les réseaux d amortissements en respectant le schéma de principe de la figure 2-3. Sa réalisation expérimentale est détaillée en figure 2-6 où le convertisseur peut être aisément reconnu avec son circuit de commande associé. Figure 0-6: Convertisseur BIF avec réseau d'amortissement.

17 2.4 Analyse du convertisseur BIF comme girateur de puissance. Comme décrit précédemment, le convertisseur de puissance BIF est réalisé à partir d une structure abaisseuse (buck) dont le port d entrée est muni d un filtre LC. Dans cette section, le principe du convertisseur buck et du girateur BIF sont rappelé, afin d établir par la suite une comparaison entre les deux structures Rappel du convertisseur Buck Le convertisseur buck est un convertisseur de puissance de type DC-DC, communément appelé «abaisseur» car il permet d obtenir sur son port de sortie une tension inférieure à la tension présente sur le port d entrée, mais en contre parti son courant de sortie est plus élevé. Ce convertisseur appartient à la famille des alimentations à découpage, il est constitué d une cellule de commutation formé par deux semi-conducteurs, dont l un possède un amorçage commandé (par exemple un transistor MOSFET ou IGBT), et l autre une commande spontanée (une diode). La façon la plus simple de réduire une tension est d utiliser un diviseur de tension, mais les diviseurs de tension, dissipant sous forme de chaleur l excédant de tension, possèdent un faible rendement ce qui est inacceptable pour les applications d électronique de puissance. Ainsi, un convertisseur buck affichant un rendement de conversion proche de 95%, et offrant la possibilité de réguler la tension de sortie, est donc plus adapté pour les applications de l électronique de puissance. S VL - Ve _ - VD IL C R Vs - Figure 0-7 : Structure du convertisseur Buck Principe de fonctionnement Le fonctionnement du convertisseur Buck peut être divisé en deux configurations suivant l état de fonctionnement de l interrupteur commandé. Dans l état passant ou à l état ON (figure 2-8), l interrupteur S est fermé. L inductance, parcourue par un courant qui croit linéairement, emmagasine de l énergie tandis que la diode polarisée en inverse est bloquée. Dans l état bloqué ou à l état OFF (figure 2-9) l interrupteur S est ouvert. La diode devient passante, assurant ainsi la continuité du courant à travers l inductance. Durant cette phase l inductance est parcourue par un courant qui décroît, on dit alors que l inductance restitue l énergie préalablement emmagasiné à la charge. 8

18 VL - Ve _ - VD IL C R Vs - Figure 0-8 : Fonctionnement du convertisseur Buck à l état ON. IL C R Vs - Figure 0-9 : Fonctionnement du convertisseur Buck à l'état OFF. La figure 2-0 représente une simulation du fonctionnement du convertisseur Buck en boucle ouverte, réalisé à partir du logiciel PSIM et du schéma de simulation présenté en figure 2-. Sur cette figure les différents courants et tensions présents sur les ports d entrée et de sortie du convertisseur sont exposés. Cette illustration permet de mettre en évidence la fonction abaisseuse en tension (Ve = 20 V, Vs = 9,80 V) et élévatrice en courant (Ie = 0,52 A, Is = 0,98 A) du convertisseur pour un rapport cyclique de l ordre de 0,5. Ve Vs Is Ie Figure 0-0 : Forme d onde de la tension et du courant d entrée et de sortie du convertisseur Buck en régime stationnaire. 9

19 Figure 0- : Schéma de simulation du convertisseur buck Relation entre la tension d entrée et de sortie Quand un convertisseur buck travaille en mode de conduction continu le courant à travers l inductance ne s annule jamais et la tension moyenne décrite par l équation (2.) à ces bornes est nulle. T V L = VLdt = 0 (2.) T Comme dit précédemment, le fonctionnement du convertisseur sur une période de découpage est divisé en deux parties qui sont l état ON et l état OFF, ce qui permet d écrire : 0 V L αt = VL ( t) V T T 0 T αt L ( t) = 0 (2.2) avec αt correspondant au temps de conduction de l interrupteur A l état ON (figure 2-8), on a : V V L L αt = VLdt T 0 = αt ( Ve Vs) = α( Ve Vs) T (2.3) A l état OFF (figure 2-9), on a : V V L L T = V T αt L ( t) = ( T( Vs) αtvs) = Vs( α ) T (2.4) 0

20 En insérant les équations (2.3) et (2.4) dans (2.2), on obtient la relation entre la tension de sortie et d entrée du convertisseur Buck : V V L L T = α( Ve Vs) Vs( α ) = 0 Vs = αve αt VL( t) T = 0 T αt V ( t) = 0 L (2.5) avec α compris entre 0 et, on s aperçoit que la tension de sortie Vs est inférieure à la tension d entrée Ve. La figure 2- représente l évolution du courant dans l inductance régit par l équation (2.6) sur plusieurs périodes de découpages : di V = L L L dt (2.6) A l état ON, l équation (2.3) indique que la tension aux bornes de l inductance est positive impliquant ainsi une croissance linéaire du courant I L. A l état OFF, la tension aux bornes de l inductance est négative (2.4) engendrant une décroissance du courant I L. di L dt > 0 di L dt < 0 Etat ON αt Etat OFF T Figure 0-2 : Evolution du courant dans l inductance.

21 Relation entre le courant d entrée et de sortie Hypothèse : le convertisseur possède un rendement de 00% (pas de perte), ce qui veut dire que la puissance d entrée est entièrement transférée à la sortie. Puissance d entrée e = Puissance de sortie P s = P e Ie V (2.7) V I (2.8) s s D après l hypothèse on a : Pe = Ps (2.9) VeI e = VsI s En insérant l équation (2.5) dans (2.9) on obtient la relation entre le courant d entrée et de sortie, qui est : I = α (2.20) e I s A partir de l équation (2.20) on s aperçoit que le convertisseur Buck est une structure élévatrice en courant Simulations Dans cette section nous allons étudier à l aide du logiciel Psim le comportement des variables électriques du convertisseur buck, lorsque ce dernier est soumis à différentes perturbations. a) Variation de la charge : Sur la figure 2-3 nous pouvons voir et analyser le comportement des différentes variables du système (tension d entrée et de sortie, courant d entrée et de sortie) lorsqu une variation de charge (20 Ω à 0 Ω) apparaît. Ve Vs Is Ie 2

22 Figure 0-3 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation de charge La variation de charge n a aucune influence sur la tension d entrée et de sortie, ce qui est logique car le rapport cyclique demeure constant. Par contre, le courant de sortie a augmenté suite à la diminution de la charge ainsi que le courant d entrée pour maintenir l égalité entre la puissance d entrée et de sortie (PIPO). Resistance 20 Ω Resistance 0 Ω Courant d entrée 0,26 A 0,450 A Courant de sortie 0,250 A 0,5 A Tension d entrée 0 V 0 V Tension de sortie 5 V 4,980 V Tableau 0. : Résumé des valeurs obtenues suite à une variation de charge. b) Variation de la tension d entrée Sur la figure 2-4 nous pouvons étudier le comportement des différentes variables électriques du système (tension d entrée et de sortie, courant d entrée et de sortie) lorsqu une variation sur la tension d entrée apparaît. Ve Vs Is Ie Figure 0-4 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation de la tension d entrée. 3

23 D après l équation (2.5) et pour un rapport cyclique (α) constant, si la tension d entrée augmente la tension de sortie fait de même. Cette augmentation engendre une croissance des courants d entrée et de sortie afin de toujours maintenir l égalité entre les puissances. Tension d entrée 0 V Tension d entrée 5 V Courant d entrée 0,220 A 0,44 A Courant de sortie 0,249 A 0,37 A Tension de sortie 5 V 7,430 V Tableau 0.2 : Résume des valeurs obtenues suite à une variation de la tension d entrée. c) Variation du rapport cyclique : La figure 2-5 représente le comportement des différentes variables du système (tension d entrée et de sortie, courant d entrée et de sortie) lorsqu une variation du rapport cyclique (0.5 à 0.75) apparaît. Ve Vs Is Ie Figure 0-5 : Variation du comportement du courant et de la tension d entrée et de sortie du convertisseur Buck suite à une variation du rapport cyclique L augmentation du rapport cyclique d après l équation 2.5 engendre une augmentation de la tension et du courant de sortie, et par la même occasion une croissance du courant d entrée pour conserver l égalité entre les puissances. 4

24 Rapport cyclique 0,5 Rapport cyclique 0,75 Courant d entrée 0,220 A 0,368 A Courant de sortie 0,250 A 0,375 A Tension d entrée 0 V 0 V Tension de sortie 5 V 7,499 V Tableau 0.3 : Résume des valeurs obtenues suite à une variation du rapport cyclique. d) Récapitulatif : Le tableau ci-dessous résume le comportement des variables du système par rapport aux différentes perturbations subies par le convertisseur Buck : R R α α Ve Ve Ve cte cte cte cte Vs cte cte Ie Is Tableau 0.4 : Résumé de l évolution des variables du convertisseur Buck sous différentes variations Girateur de puissance de type G basé sur le convertisseur BIF Principe de fonctionnement Le girateur BIF, de par ses propriétés et en vue d une mise en parallèle de plusieurs structures, étudié dans cette partie sera régit par l équation : I s = gv e (2.2) Le convertisseur à découpage sera piloté à travers une boucle fonctionnant en mode de glissement et répondant à la surface S(x) = I s -gv e. La figure 2-9 montre respectivement les résultats expérimentaux et de simulations (Psim) du girateur en mode stationnaire, impliquant que S(x) = 0, avec une conductance g égale à 0.5 Ω -. 5

25 Is Ve Ve Ie Vs Is Vs Ie a) b) Figure 0-6 : Relevés du comportement du BIF en mode stationnaire avec g=0.5ω - a) expérimentalement b) en simulation Le schéma de principe utilisé pour obtenir ces résultats est représenté sur la figure 2-20, il est à noter que la surface de glissement est réalisée à partir d un multiplicateur analogique associé à un comparateur à hystérésis. Cette surface de glissement impose une fréquence de découpage qui varie en fonction de l évolution de différents paramètres électriques, contrairement à la structure classique du buck étudiée auparavant où la fréquence de découpage était imposée par le PWM. Les deux paramètres qui influencent la fréquence de découpage sont, la tension d entrée Ve, la tension de sortie Vs et le rapport cyclique. Figure 0-7 : Schéma de simulations du BIF 6

26 Dimensionnement Les différentes valeurs des éléments passifs du convertisseur Buck ont été déterminées à partir du cahier des charges ci-dessous : - taux d ondulation dans l inductance L 2 : I L2 =,2 A, - taux d ondulation de la tension aux bornes de la capa C 2 : V C2 = 30mV, - fréquence de découpage : F dec = 00 khz, - tension d entrée V e = 6V (correspond à la tension optimale du module photovoltaïque BP 585). Détermination de l inductance : La relation permettant de déterminer la valeur du taux d ondulation du courant dans l inductance présente en sortie du convertisseur Buck est la suivante : Ve.( α). α I L = (2.2) 2 fl2 D après (2.2), on voit que le taux d ondulation est maximal pour α = 0.5, ce qui permet d écrire : Ve I L = (2.22) 2MAX 4 fl 2 A partir de (2.22), et des indications présentes dans le cahier des charges il est facile de déterminer la valeur de l inductance L 2. L Ve = 4 f I 6 = 2 3 L2MAX ,2 = 35,7µ H Détermination du condensateur : La relation permettant de déterminer la valeur du taux d ondulation de la tension aux bornes du condensateur en sortie du convertisseur Buck est la suivante : α( α) Ve V C 2 = (2.23) 2 8L C f 2 2 D après (2.23), on voit que le taux d ondulation de la tension est maximal pour α = 0.5, ce qui permet d écrire : Ve V C 2 MAX = (2.24) 2 32LCf La valeur du condensateur C 2 peut être déterminée à partir de (2.24) et des informations présentes dans le cahier des charges : 7

27 C Ve 2 32Lf V 2 = = = C 2MAX 32.57,4.0.(00.0 ).0,3 6 6,73µ F Pour un convertisseur buck classique piloté par un PWM, ces valeurs restent figées, par contre pour le girateur BIF, les taux d ondulations risquent de varier puisque la fréquence de découpage pour une telle structure n est pas fixe. Pour le dimensionnement du filtre d entré L et C, ainsi que du réseau d amortissement présenté sur la figure 2-5, le lecteur pourra se référer aux travaux déjà réalisés par Angel Cid-Pastor [4], ici seules les valeurs sont rappelées : C d = 00 µf R d = 2,2 Ω C = 2 µf L = 2 µh L a = 22 µh R a =,2 Ω Résultats expérimentaux et de simulations Sur la figure 2-9, nous pouvons vérifier que les caractéristiques du girateur G définit par les équations (2.) et (2.2) sont respectées. En effet le courant de sortie I s est égal à 5A pour une tension d entrée V e de 0V, ce qui correspond bien à une conductance g égale à 0.5 Ω -. La même analyse peut être effectuée entre le courant d entrée I e et la tension de sortie V s. Il est à noter que lors de la simulation les pertes du à la conduction et à l amorçage des semi-conducteur ainsi que les pertes joules présentes dans les composants passif sont négligées, c est pour cela que l on peut observer une légère différence entre les valeurs des variables électriques obtenue en simulation et expérimentalement. Résultats expérimentaux Simulations Tension de sortie 4,795 V 5,7 V Tension d entrée 0,0 V 0 V Courant de sortie 5,9 A 5,2 A Courant d entrée 2,865 A 2,68 A Tableau 0.5 : Résume des valeurs obtenues Vérification des résultats : - Expérimental : P e = V e I e = 0,0 2,865 = 28,678 W P s = V s I s = 4,795 5,9 = 24,545 W Pe Ps 8

28 - Simulation : P e = V e I e = 0 2,68 = 26,8 W P s = V s I s = 5,7 5,2 = 26,47 W P e P s La figure 2.2, représente le comportement du système lorsqu une perturbation est introduite sur la tension d entrée. Is Ve Ve Vs Ie Is Vs Ie Figure 0-8 : Comportement du BIF avec une perturbation sur la tension d entré avec g=0.5 Ω-. a) expérimentalement, b) en simulation. Les variables d état du girateur atteignent leurs état d équilibre après un état transitoire du à la variation de la tension d entrée. Il est à noter que dans les deux cas de figures que le courant de sortie reste proportionnel à la tension d entrée avec un facteur de proportionnalité de l ordre de 0.5 Ω -. Sur le relevé expérimental, on peut noter la modification de la fréquence de découpage en fonction du changement de la tension d entrée V e. Une augmentation de V e engendre une croissance de la fréquence de découpage alors qu une diminution de cette dernière provoque une réduction de la fréquence. La figure 2-22, permet de mettre en évidence la différence de comportement entre le convertisseur Buck et le girateur BIF lorsqu ils sont soumis à une variation de charge. Pour le convertisseur Buck, en boucle ouverte, la variation de charge n a aucune influence sur la tension d entrée et de sortie, ce qui est logique car le rapport cyclique demeure constant, seul les courants sont affectés par cette perturbation afin de maintenir la conservation de puissance entre l entrée et la sortie. V I = s s R (2.25) Avec cette équation nous pouvons voir qu une variation de la résistance implique une variation du courant de sortie et d entrée afin de maintenir l égalité au niveau des puissances. P = P e V I e e s = V I s s si R augmente, I s et I e diminuent (2.9) 9

29 Pour le girateur BIF, cette perturbation n a aucune influence sur les variables électriques contenue dans l équation (2.2), qui sont le courant de sortie et la tension d entrée. Par contre cette perturbation affecte les variables contenue dans l équation (2.) afin de maintenir comme, pour le convertisseur Buck, une égalité entre la puissance d entrée et de sortie. Ve Ve Is Vs Ie Vs Is Ie a) I s = gve b) Vs = αve Figure 0-9 : Comportement du BIF avec une perturbation sur la résistance de sortie avec g=0.5 Ω-. a) girateur BIF b) convertisseur Buck Cet essai permet de mettre en évidence la conversion tension-courant de la structure BIF, c est-à-dire que sur son port de sortie on retrouve une source de courant qui par définition impose son courant quelque soit la charge connecté à ses bornes. Il est à noter également le changement de la fréquence de découpage de la structure due à la variation de la tension de sortie. 3 Girateur de puissance associé à une commande MPPT 20

30 Après avoir étudié le fonctionnement du girateur de puissance de type G basé sur le convertisseur BIF dans le chapitre 2 et avant de l utiliser comme étage d adaptation, une introduction sur l énergie photovoltaïque est réalisée en première partie de ce chapitre. 3. Energie photovoltaïque L énergie photovoltaïque est une énergie produite à partir de la conversion du rayonnement solaire, c est une énergie dite intermittente car sa production est nulle la nuit (absence du soleil) et faible les jours de mauvais temps. L énergie solaire, peut être convertie en chaleur ou en électricité, on parle alors : - d énergie solaire photovoltaïque pour une conversion en électricité, - d énergie solaire thermique pour une conversion en chaleur. 3.. Electricité photovoltaïque 3... L effet photovoltaïque La conversion de la lumière en électricité, appelée effet photovoltaïque, a été découverte par E. Becquerel en 839. Cette conversion d énergie s effectue par le biais d une cellule dite photovoltaïque (PV), qui consiste à produire une force électromotrice lorsque la surface de cette cellule est exposée à la lumière. La tension générée peut varier en fonction du matériau utilisé lors de la fabrication. L association de plusieurs cellules PV en série/parallèle donne naissance à un générateur photovoltaïque qui présente une caractéristique courant-tension I(V) non-linéaire présentant un point de puissance maximal (PPM). Cette caractéristique dépend du niveau d éclairement et de la température de la cellule (comme nous le verrons par la suite) ainsi que du vieillissement de l ensemble La cellule photovoltaïque Une cellule photovoltaïque est composée d un matériau semi-conducteur qui absorbe l énergie lumineuse et la transforme directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d absorption du rayonnement par des matériaux semi-conducteurs. Ainsi, les matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV possèdent des électrons susceptibles d être libérés de leurs atomes lorsqu ils sont excités par des photons émis par la lumière du soleil. Une fois libérés, ces charges se déplacent dans le matériau et forment un courant électrique circulant dans une seule direction (comme aux bornes d une pile) et de nature continu (c.c). La circulation de ce courant donne naissance à une force électromotrice (fem) aux bornes du semi-conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé l effet photovoltaïque. La figure 3- illustre la constitution d une cellule photovoltaïque en silicium. 2

31 ECLAIREMENT G PHOTONS CONTACT AVANT (GRILLE) JONCTION PN DEPLACEMENT D ELECTRONS V CELL I CELL ZONE DOPEE P ZONE DOPEE N Figure 3- : Structure d une cellule photovoltaïque au silicium (jonction PN). Classiquement, une cellule PV est réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) et l autre dopée N (dopé au phosphore). Entre les deux zones se développe une jonction PN avec une barrière de potentiel. La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode (contact avant), tandis qu une plaque métallique (contact arrière) recouvre l autre face du cristal et joue le rôle d anode. Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux atomes. Si l énergie transmise est supérieure à celle associée à la bande interdite (Eg) du semi-conducteur, des paires électrons-trous libres sont alors crées dans cette zone de déplétion. Sous l effet d un champ électrique E r qui règne dans cette zone, ces porteurs libres sont drainés vers les contacts métalliques des régions P et N. Il en résulte alors un courant électrique dans la cellule PV et une différence de potentiel (de 0.6 à 0.8 Volt) supportée entre les électrodes métalliques de la cellule, communément nommée tension de circuit ouvert (V OC ). Le courant maximal se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées, on parle alors de courant de court-circuit (I CC ) qui dépend fortement du niveau d éclairement. La figure 3-2 illustre la caractéristique non linéaire courant tension I(V) d une cellule PV, avec un point de puissance maximal (PPM) caractérisé par sa tension et son courant optimal (I OPT et V OPT ) I CC I OPT I CELL [A] V OPT V OC V CELL [V] Figure 3-2 : Caractéristique I(V) d une cellule photovoltaïque. 22

32 Une cellule PV peut se modéliser à partir de l équation définissant le comportement statique de la jonction PN d une diode classique. Ainsi, la figure 3-3 illustre le schéma équivalent électrique d une cellule PV réelle. Dans cette équation, on prend en compte le courant de court-circuit et les différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique. Ainsi, en statique, le comportement d une cellule PV constitué d une jonction PN à base de silicium peut être décrit par l équation suivante [3] : I CELL où V avec T VCELL ICELL RS V = ICC I SAT exp nv T KT = e CELL I R P CELL R S (3.) I SAT (A) courant de saturation V T (V) le potentiel thermodynamique K (J.K - ) constante de Boltzmann T (K) température effective de la cellule e charge de l électron n facteur de non idéalité de la jonction I CELL (A) courant fourni par la cellule V CELL (V) tension aux bornes de la cellule I CC (A) courant de court circuit de la cellule dépendant de l ensoleillement et de la température R P (Ω) résistance de shunt caractérisant les courants de fuites de la jonction R S (Ω) résistance série représentant les diverses résistances des contacts et de connexions R S I CELL I CC D R SH V CELL - Figure 3-3 : Schéma équivalent électrique d une cellule PV Constitution d un générateur photovoltaïque La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance au regard des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Pour produire plus de puissance, plusieurs cellules sont assemblées afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque. La connexion en série des cellules permet d augmenter la tension, tandis que la mise en parallèle permet d accroître le courant. Le câblage série/parallèle est donc utilisé pour obtenir un générateur PV aux caractéristiques souhaitées. 23

33 La plupart des modules commercialisés sont constitués par deux ou quatre réseaux de cellules en silicium cristallins connectées en série, comme le montre la figure 3-4. Chacun de ces sous réseaux est lui-même constitué d un groupe de cellules connectées en série (8 cellules pour le module PV référencé BP585). Le nombre de cellules par sous réseaux est le fruit d un compromis économique entre protection et perte d une partie importante du GPV en cas de défaut partiel. Diode anti-retour I PV I PV G PV G PV2 I PV2 V PV 8 cellules en série Chaîne A Chaîne A Chaîne B Chaîne B Diodes By-Pass Figure 3-4 : Association de deux modules PV commerciaux en parallèles avec leurs diodes de protections. La caractéristique électrique I(V) d un GPV est proportionnelle à celle d une cellule. Le rapport de proportionnalité est fonction du nombre de cellules connectées en série et du nombre de branches de cellules associées en parallèle. Cette caractéristique est non linéaire et présente un point de puissance maximal (PPM). Ce point est également référencé par un courant et une tension nommés, comme pour la cellule, I OPT et V OPT respectivement. Sur la figure 3-5, nous pouvons observer le comportement d un module PV commercial de 00W crêtes constitué de 36 cellules en série, en fonction de la température et de l éclairement. PPV [W] PPV [W] V PV [V] a) V PV [V] b) Figure 3-5 : Caractéristiques de puissance d un module photovoltaïque commercial de 00W. a) pour différentes températures b) pour différents éclairements 24

34 Sur la figure 3-5 (a), nous pouvons voir l impact négatif de la température sur l évolution du point de puissance maximal Protection classique d un GPV Pour garantir une durée de vie importante d une installation photovoltaïque destinée à produire de l énergie électrique sur des années, des protections électriques doivent être ajoutées aux modules commerciaux afin d éviter des pannes destructives liées à l association de cellules en série et de générateur en parallèle. Pour cela, deux types de protections classiques sont utilisés dans les installations actuelles, voir figure 3-4 : - la diode anti-retour empêche que les GPV soient parcourus par un courant négatif. Ce phénomène peut apparaître lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèles, ou bien quand la charge connectée peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie durant la nuit. - les diodes by-pass isolent un sous réseau de cellules lorsque l éclairement n est pas homogène évitant ainsi des points chauds et la destruction des cellules mal éclairées Connexion directe entre la source PV et une charge DC Dans le cas d une connexion directe le point de fonctionnement d un GPV dépend de l impédance de la charge à laquelle il est connecté. En effet, le point de fonctionnement correspond au point d intersection entre les caractéristiques électrique de la charge et du GPV. Actuellement, l application la plus simple que l on peut concevoir se compose d un champ photovoltaïque connecté à une charge. Ce choix est principalement lié à la simplicité de l opération et le très haut degré de fiabilité, dû fondamentalement à l absence d électronique, sans parler du faible coût de conception. La figure 3-6 montre ce cas de figure. La présence de la diode anti-retour est indispensable pour empêcher la circulation d un courant négatif vers le module PV. Diode Anti-retour G GPV P MAX Charge DC Figure 3-6 : Connexion directe entre un GPV et une charge par le biais d une diode anti-retour. L inconvénient de cette configuration, c est qu elle n offre aucun type de limitation et/ou de réglage de la tension de la charge. Par exemple, dans le cas d une batterie, un système de régulateur doit alors être ajouté pour garantir la durée de vie de cette dernière. Le transfert de puissance disponible aux bornes du GPV vers la charge dépend fortement 25

35 de l état de la batterie à travers son niveau de tension. La puissance extraite peut être très éloigné du maximum de puissance que peut délivrer le GPV, comme l illustre la figure 3-7. IPV [A] Charge résistive Source de tension PPV [W] I OPT PPM C A P MAX P C Source de courant P A B P B V OPT V PV [V] Figure 3-7 : Points de fonctionnement d un GPV en fonction de la charge en connexion directe. Plus généralement, un GPV peut être connecté directement à trois types de charges : - une charge purement résistive, - une charge de type source de tension continue, - une charge de type source de courant continue. Sur la figure 3-7, les caractéristiques I(V) et P(V) d un GPV sont schématisées ainsi que les caractéristiques I(V) de ces trois charges. Le point de fonctionnement où la puissance fournie par le générateur est maximale (P MAX ) correspond au point de fonctionnement (I OPT, V OPT ), point nommé PPM. Les points d intersections entre la caractéristique électrique du GPV et celle des différentes charges sont respectivement : - le point A pour une charge de type source de tension, - le point B pour une charge de type source de courant, - le point C pour une charge résistive. Pour ces trois points, la puissance fournie par le générateur est respectivement P A, P B et P C. Ces trois cas de figures montrent que le panneau photovoltaïque est mal exploité car la puissance maximale disponible n est pas transférée à la charge. Ce qui suppose une perte d une partie de la puissance produite par le générateur PV impliquant à la longue des pertes de production énergétiques importantes Etage d adaptation entre le générateur photovoltaïque et la charge Comme vu précédemment, un GPV présente des caractéristiques I(V) non linéaires avec des PPM qui dépendent du niveau d éclairement et du seuil de température de la cellule. Par définition, le point de fonctionnement correspond à l intersection de la caractéristique d un dipôle générateur avec celle d un dipôle récepteur. Ainsi, pour une application photovoltaïque et selon le type de charge connecté, le point de fonctionnement peut se trouver plus ou moins éloigné du PPM. 26

36 Afin d extraire à chaque instant le maximum de puissance disponible aux bornes du GPV et de la transférer à la charge, la technique utilisée consiste à insérer un étage d adaptation entre le GPV et la charge comme décrit sur la figure 3-8. Cet étage joue le rôle d interface entre les deux éléments en assurant à travers une loi de commande le transfert du maximum de puissance. I I 2 v V ETAGE D ADAPTATION V 2 CHARGE i - - GPV Figure 3-8 : Etage d adaptation jouant le rôle d interface de puissance entre un GPV et une charge pour le transfert de Pmax du GPV. Ce type de commande est souvent nommée dans la littérature «Recherche du Point de Puissance Maximum» ou bien «Maximum Power Point Tracking» en anglo-saxon (MPPT). L objectif de ces commandes est d effectuer une recherche permanente du point de puissance maximal (PPM) et d assurer à tout instant une parfaite adaptation entre le générateur et sa charge, de façon à transférer le maximum de puissance La figure 3-9 représente une chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque, où la commande MPPT agit sur le rapport cyclique du convertisseur DC-DC pour extraire le PPM. G GPV I V - Convertisseur DC-DC I 2 V 2 - Charge DC P MAX Rapport Cyclique D I PV V PV Commande MPPT Figure 3-9 : Chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque d un transformateur DC contrôlé par une commande MPPT. Le choix de la structure de conversion va dépendre des caractéristiques électriques du module photovoltaïque et de la charge DC qui est connectée. Par exemple si la tension de la batterie (charge DC) est inférieure à la tension optimale du GPV une structure abaisseuse est nécessaire, dans le cas contraire c est une structure élévatrice qu il faudra utiliser comme étage d adaptation [8] ou [9] 27

37 3..5 Site photovoltaïque (PV) du LAAS-CNRS Module PV utilisé Au LAAS, nous disposons de 2 modules PV de 85 Watts crête commercialisés par BP Solarex avec la référence BP585 [5]. Les panneaux PV peuvent être interconnectés en série et/ou en parallèle selon les applications. Un tableau de connections, situé dans le laboratoire photovoltaïque, nous permet de faire le branchement électrique entre les divers panneaux. Figure 3-0 : Site photovoltaïque du LAAS-CNRS. Le tableau 3. montre les principales caractéristiques des panneaux utilisés : Module BP 585 Puissance 85 W (25 C) Tension optimale (maximum puissance) 8 V Courant optimale (maximum puissance) 4,72A Courant court-circuit 5A Tension circuit ouvert 22,03 V Dimensions 46 x20,9 x,5 Poids 6,5lb / 7,5Kg Tableau 3. : Caractéristiques du panneau solaire du LAAS-CNRS Système de mesure Afin de pouvoir réaliser des mesures sur la chaîne de conversion d énergie PV, une chaîne d acquisition de mesures assistée par ordinateur a été entièrement conçue et réalisée 28

38 au LAAS-CNRS [6]. Le premier objectif de ce système de mesure est d évaluer le rendement énergétique d une ou plusieurs chaînes de conversion modulaires pour systèmes photovoltaïques. La chaîne de mesure permet d évaluer les rendements de cinq systèmes de conversion d énergie travaillant en même temps, les mesures réalisées sont la tension du panneau, courant du panneau, tension de batterie et courant de batterie. De ces mesures, on peut déduire les différentes puissances d une chaîne de conversion élémentaire : puissance instantanée à l entrée et à la sortie, puissance moyenne à l entrée et à la sortie et puissance maximale délivrée par les panneaux. A partir de ces données de puissance, le système peut calculer les rendements de la chaîne. Le système de mesure est géré par un logiciel appelé SOL [6] qui, depuis un PC, contrôle tout le procès d acquisitions y compris le stockage des données sur le disque dur. Après l obtention de ces données nous pouvons effectuer un traitement à l aide de MATLAB pour obtenir les résultats sous forme de graphiques où de rendements. 3.2 Principe de la commande MPPT numérique du LAAS-CNRS 3.2. Description de la commande MPPT extrémale du LAAS-CNRS Les commandes MPPT développées au LAAS-CNRS ces dernières années [0] sont toutes basées sur le principe de la commande extrémale. Ce type de commande se base sur la recherche d un extrême d un paramètre ou d une variable physique d un système par la variation ou la perturbation d un paramètre d entrée de ce système. La commande extrémale a été rapportée en 920 par Leblanc pour la recherche du pic de résonance d un système électromécanique [0]. Dans le cas particulier d un GPV, une commande MPPT extrémale oblige le point de fonctionnement du GPV à se rapprocher du PPM et à osciller autour de lui indéfiniment. La commande MPPT utilisée tout au long de ce stage de fin d études a été étudiée au préalable par Ramon Leyva [8] et réalisée numériquement par Alain Bilbao et Cédric Cabal [0] []. La figure 3- représente le principe général de la commande MPPT extrémale numérique sous forme d un schéma block. Ici nous pouvons voir que la commande extrémale du LAAS-CNRS est basée sur la puissance fournie par le générateur PV. 29

39 PIC 8F220 τ Figure 3- : Schéma block de la commande MPPT numérique du LAAS-CNRS. Pour cela, il est nécessaire de connaître la tension V PV et le courant I PV en permanence aux bornes du GPV afin d établir une image de la puissance (P PV ). Cette opération est réalisée à l aide d une instruction du PIC qui fait appel à une multiplication Hardware permettant de réduire considérablement le temps de calcul. Par la suite cette puissance est comparée à l échantillon de puissance déterminé précédemment (P PV- ) constituant ainsi la fonction de dérivée de puissance. Cette fonction permet de connaître en permanence si le point de fonctionnement du système s approche ou s éloigne du point de puissance maximal du GPV. Comme le montre la figure 3-2, une dérivée de puissance positive (de P vers P 2 ) indique que le point de fonctionnement s approche du PPM, impliquant ainsi un maintient du sens de recherche. Lorsque le signe de la dérivée est négatif (de P 2 vers P 3 ), cela signifie que le PPM est dépassé et dans ce cas le sens de recherche doit être inversé pour converger de nouveau vers le PPM. Un temps d attente (délai) est introduit au sein de cette commande pour s assurer que le convertisseur se trouve en régime établi avant d inverser la direction de recherche du PPM. De ce fait, la commande a besoin de deux conditions pour autoriser l inversion du sens de recherche qui sont, une dérivée de puissance négative et le délai écoulé. Outre le fait d attendre que le convertisseur soit en régime établit, ce délai est intéressant lors de variations brusque d ensoleillement, c est-à-dire quand la puissance du GPV passe par exemple du point P 2 à P 4. En effet, cette perturbation implique une dérivée de puissance négative signifiant logiquement un dépassement du PPM et impliquant une inversion du sens de recherche, ce qui a pour effet de s éloigner momentanément du PPM. La présence du délai au sein de la commande MPPT du LAAS-CNRS, permet de s assurer du signe de la dérivée de puissance en retardant l inversion du sens de poursuite du PPM. Ainsi, lorsque le point de fonctionnement transite de la puissance P 2 vers P 4, la commande détecte une dérivée de puissance négative mais comme le délai ne s est pas écoulé le sens de poursuite est maintenu. L échantillon de puissance qui suit (P 5 ) indique, par une dérivée positive, à la commande que le système converge bien vers le nouveau PPM, dans le but d osciller autour de ce dernier indéfiniment. 30

40 PPV [W] P MAX dp PV dt < 0 Sens de Recherche P 3 P 2 Sens de Recherche P MAX2 Oscillations autour du PPM Sens de Recherche P 5 P 4 P dp PV dt > 0 dp PV dt < 0 V PV [V] Figure 3-2 : Principe du mode de recherche de la commande MPPT extrémale numérique du LAAS-CNRS Structure de l Algorithme MPPT Ici nous décrivons le fonctionnement de l algorithme MPPT basé sur le signe de la dérivée de puissance du module photovoltaïque représenté sur la figure 3-3. Lorsque que la dérivée est positive, la variable α (variable indiquant le sens de la recherche du PPM) reste inchangé puisque le signe positif de la dérivée indique que le système se rapproche du PPM. Lorsque la dérivée est négative cela signifie, logiquement, que le PPM est dépassé. Dans ce cas, l algorithme teste la valeur de la variable H (variable indiquant le débordement du timer 0 représentant le temps d attente). La variable H passe à lorsque τ secondes se sont écoulés depuis le dernier changement du sens de recherche du PPM. Ainsi, si la variable H vaut le sens de recherche est modifié en inversant la valeur de la variable α, par la suite une réinitialisation du timer 0 et de la variable H est effectuée. En résumé, le sens de poursuite est modifié que si la dérivée est négative et que si τ secondes se sont écoulés depuis le dernier changement du sens de recherche. De cette manière le point de fonctionnement du module PV oscille de manière permanente autour du PPM. 3

41 Calcul derivée Dérivée de puissance positive Alpha = Dérivée de puissance négative Alpha = Dérivée de puissance positive Alpha =0 Dérivée de puissance négative Alpha =0 Alpha= H=0 H= Alpha=0 H=0 H= Alpha= Alpha=0 H=0 Alpha=0 Alpha= H=0 Start timer Start timer Figure 3-3 : Schéma de principe de l algorithme MPPT 3.3 Etage d adaptation à partir du girateur BIF 3.3. Principe du girateur BIF associé à la commande MPPT. Dans le chapitre 2, et le début de ce chapitre nous avons présenté respectivement, le principe de fonctionnement du girateur BIF et de la commande MPPT numérique développé par le LAAS. La suite de ce chapitre est consacrée à la mise en œuvre de ces deux éléments dans le but d effectuer une adaptation d impédances entre le générateur PV et une charge DC de manière à transférer le maximum de puissance du générateur à la charge. La figure 3-4 décrit le principe de fonctionnement d un girateur BIF avec courant de sortie associé à une commande MPPT. Il est à noter, que pour le cas du girateur l action de contrôle de la commande MPPT n agira pas directement sur le rapport cyclique D du convertisseur mais correspondra aux variations adéquates de la conductance g. Pour démontrer la faisabilité et la compatibilité de ces deux systèmes, nous avons étudié le point de fonctionnement en régime stationnaire et sa trajectoire en régime dynamique. 32

42 GPV D Ra La L Rd Cd C L2 C2 Rshunt Battery V SA i SA g X AD 835AN CONTROLE MPPT - Adj Hyst R2 - R R R2 Figure 3-4 : Convertisseur BIF associé à une commande MPPT numérique Résultats expérimentaux Plusieurs essais expérimentaux ont été réalisés pour valider le fonctionnement de la structure giratrice BIF associé à la commande MPPT numérique en tant qu étage d adaptation. Un essai en régime stationnaire (figure 3-5) permet d évaluer les performances de la commande MPPT, tandis que les essais des figures 3-6 et 3-7 représentent le comportement du convertisseur en présence de perturbations météorologiques. La figure 3-5 représente le comportement en régime établit du girateur BIF connecté à une batterie au plomb de 2V. Sur cette figure, les différents paramètres du PV (I PV, V PV et P PV ) ainsi que la tension de batterie et le signal de conductance issue de la commande MPPT sont représentés. Nous pouvons voir que le PPM est atteint par le système et que le signal de conductance g oblige le système à osciller autour de ce dernier indéfiniment. A partir des informations affichées sur ce relevé nous pouvons déterminer le rendement de la commande MPPT correspondant au rapport entre la puissance moyenne et maximale extraite du PV. Ici le rendement MPPT est de 98,5% pour une puissance moyenne de 23,8 W. 33

43 Ve Ie Vbat g P PV Figure 3-5 : Relevé expérimental en régime établit d un girateur BIF La figure 3-6 illustre la réponse du système lorsqu il est soumis à une brutale variation d ensoleillement. Cette perturbation est obtenue par la mise en parallèle de deux modules PV créant dans un premier temps ainsi une variation positive du courant. Nous pouvons voir que les équations (2.) et (2.2) définissant le girateur G sont respectés car une augmentation du courant d entré va se traduire par une augmentation de la conductance g afin de garder l égalité entre les équations et d obtenir le nouveau point de puissance. A noter que le nouveau PPM est atteint au bout de 30ms. Ve Vbat g Ie P PV Figure 3-6 : Réponse du système lors d une variation positive du courant IPV.. La même analyse peut être effectuée que précédemment sur la figure 3-7, mais cette fois ci pour une décroissance du courant I PV et de la conductance g. Lors de cet essai le temps de réponse du système est estimé à 20 ms. 34

44 Ve Vbat g Ie P PV Figure 3-7 : Réponse du système lors d une variation négative du courant IPV. Ces différents résultats expérimentaux permettent de valider le fonctionnement du girateur BIF comme étage d adaptation pour des applications photovoltaïques. 35

45 4 Réalisation électronique d un girateur de type G basé sur le convertisseur BIF Dans ce chapitre, nous présentons et nous détaillons le schéma de conception du girateur G utilisé durant le projet. 4. Schéma électronique du girateur G Figure 4- : Schéma électronique du girateur G avec filtre d'entrée (BIF) Sur la figure 4- nous pouvons distinguer les deux schémas électroniques (puissance et commande) utilisés pour réaliser l étage d adaptation. La carte de puissance est basée sur le principe d un convertisseur abaisseur auquel nous avons rajouté un filtre d entré (LC) et les différents réseaux d amortissement, comme vue dans le chapitre 2, afin de garantir la stabilité de la structure. Une diode anti-retour est insérée en entrée du convertisseur pour empêcher la destruction du générateur photovoltaïque par l absorption d un courant négatif qui peut provenir par exemple, la nuit de la batterie lorsque le panneau photovoltaïque passe en mode récepteur. Sur cet étage de puissance, on retrouve également les différents capteurs de tension et de courant indispensables au bon fonctionnement de la carte de commande. La tension du panneau (V PV ) nécessaire à la commande MPPT pour déterminer la puissance du panneau et à la surface de glissement pour réaliser le produit g.v PV est obtenue à partir de deux ponts diviseurs de valeurs différentes. Les chutes de tension présentes aux bornes des résistances shunts et renvoyées aux capteurs référencés MAX 472 dans le but d obtenir une image des courants d entrée (I PV ) et de sortie (I L2 ) nécessaire à la recherche du PM et à la commande du MOSFET par l intermédiaire de la surface de glissement. 36

46 Driver IRF 225 : Figure 4-2 : Schéma du convertisseur BIF avec le driver Pour rendre passant un MOSFET, il suffit d appliquer une tension entre la source et la grille (V gs ) supérieure à 4V. Or dans la structure évoquée ci-dessus, la source du MOSFET est flottante ce qui ne permet pas d appliquer directement à la grille le signal de commande issue du comparateur à hystérésis. Pour remédier à ce problème, la solution retenue consiste à utiliser le driver IR225 associé à une capacité de Bootstrap, donc le câblage est présenté ci-dessus. Le principe général de fonctionnement est le suivant : lors de la phase de roue libre, c'est-à-dire quand la source du MOSFET est connectée à la masse, la capacité de Bootstrap C 3 se charge par l intermédiaire de l alimentation V driver, puis lorsque le signal de commande passe à l état haut la capacité se décharge dans la résistance de grille ce qui met en conduction le MOSFET. Multiplicateur analogique AD 835 : test Ve VCC g Ve test g C2 -Vcc C3 X X2 Y Y2 Z VS -VS AD835 W 5 gve Figure 4-3 : Multiplier Pour implémenter la surface de glissement S(x) = gv e -I s, la tension V e est multipliée à la conductance g, issue de la commande MPPT, par l intermédiaire du multiplicateur analogique AD835 dont le principe de fonctionnement est décrit par l équation ci-dessous : W = (X-X2).(Y-Y2) Z (4.) 37

47 Avec X = V e, X2 = 0, Y = g, Y0 = 0, Z = 0. ce qui donne : W = (V e -0).(g-0) 0 W = V e.g Comparateur à Hystérésis : R7 VCC C5 VCC Is gve testgve R2 8 5 R LM3 test_pwm AO testis 4 6 -Vcc C4 Figure 4-4: Comparateur LM3 La surface de glissement I s = g.v e (2.2) est réalisé à partir d un comparateur câblé en montage inverseur dissymétrique. L AOP fonctionne en régime de saturation à cause de la réaction positive (retour de la sortie sur l entrée V ). Par rapport à un comparateur à hystérésis classique une source de tension (g.v e ) est introduite, ce qui a pour effet de modifier les seuils de basculement du comparateur. En effet la tension différentielle d entrée ε est égale à : ε = gv e VR 2 VI s = gv e R 2 /(R 2 R 7 ) (V s -gv e ) VI s (4.2) en posant K = R 2 /(R 2 R 7 ) (4.3) on obtient : ε = gv e k (V s -gv e )-VI s = KV s (-K)g.V e -VI s = V - V - par identification : V = KV s (-K)g.V e (4.4) V - = VI s (4.5) 38

48 On peut voir que les tensions de basculement, comparé à un comparateur à hystérésis classique, sont décalées vers le haut d un facteur (-K)g.V e. Ainsi les seuils de basculement deviennent : S = K.(V sat ) (-K)g.V e lorsque V > VI s (4.6) S2 = K.(-V sat ) (-K)g.V e lorsque V < VI s (4.7) De ce fait, le courant I s est maintenue dans une fourchette de valeurs S et S 2. Lorsque le courant I s est inférieur à S, l interrupteur MOS est en conduction et le courant croit dans l inductance L 2. Des que ce dernier dépasse le seuil S, le courant I L2 décroit due au fonctionnement en mode de roue libre du convertisseur. Lorsque le seuil S 2 est atteint le MOSFET se remet à conduire et le cycle redémarre. De par ce principe nous obtenons la surface de glissement I s = g.v e (2.2) A noter qu une résistance (R 3 ) de tirage ou de «pull-up» est insérée à la sortie du comparateur du fait de la présence d un transistor à collecteur ouvert, afin de garantir un signal de sortie compris entre 0 et VCC. PIC 8F220 : C0 Vpv C7 Ipv VCC C8 R AN0 RB3 7 AN RB2 6 RA4 OSC 5 MCLCbarreOSC2 VSS VDD 4 RA2 PGD 3 RA3 PGC 2 RB0 RB5 0 RB RB4 PIC8F220 R22 X C9 VCC C7 C6 g 2 3 VCC CON3 R23 Figure 4-5 : Microcontrôleur PIC8F220 Le signal de conductance g permettant de rechercher le PM est issue du microcontrôleur référencé PIC8F220, dont les caractéristiques techniques sont rappelées dans le tableau 4.. La tension et le courant du PV sont échantillonnés grâce aux entrées de conversion Analogique Numérique (AN0 et AN) afin de permettre à l algorithme de recherche de calculer à tout instant la puissance présente aux bornes du PV. Deux condensateurs C 7 et C 8 sont insérés sur les ports d acquisition de façon à réduire l influence du bruit résiduel durant la détermination de la puissance. Un quartz de 20 Mhz impose la fréquence d oscillation du microcontrôleur. 39

49 A noter qu un rhéostat R 23 connecté à la tension d alimentation est introduit sur la carte de commande de façon à fournir un signal g constant dans le but de valider le fonctionnement de la structure giratrice en boucle ouverte. PIC8F220 Operating frequency 40 MHz RESETS (and DELAYS) PBOR/PLVD Flash Memory 4k EEPROM Data Memory Bytes 256 RAM bytes 368 I/O PORTS PORTS A,B Timers 4 (-8bits, 3-6bits) Capture/Compare/PWM Module 0 bit Analog to Digital Module 7 input channels Serial Communications EUSART I/O pins 6 Prix 3,97 euros Tableau 4. : Caractéristiques les plus importantes du PIC8F220 [2] 4.2 Emplacement des composants constituant le girateur BIF Les figures 4-6 et 4-7 montrent l emplacement et la connexion des composants du prototype final, cette carte électronique a été réalisée à l aide du logiciel ORCAD 0.5. Figure 4-6 : Vue TOP d'un girateur de type G avec filtre d'entrée (BIF) 40

50 Figure 4-7: Vue BOTTON d'un girateur de type G avec filtre d'entrée (BIF) Figure 4-8: Réalisation de la carte d'un d un girateur de type G avec filtre d entrée (BIF) 4