Durée du signal de l'oscillateur externe

En ce qui concerne l’oscillateur externe, il faut trouver un compromis entre le temps requis par l’algorithme de recherche global pour compléter sa recherche et le temps de formation d’un point chaud.

4.4.2.1 Détermination du temps de formation d’un point chaud

Comme vu dans cette thèse, un point chaud peut se former dans certaines cellules dans des conditions d’ombrage partiel. Le temps de formation d’un point chaud est une contrainte thermique qui doit être incluse dans la phase de conception des signaux.

Pour simuler les conditions d’ombrage, on peut tout simplement appliquer une tension négative aux bornes de la cellule pour forcer le fonctionnement dans IIQ. Le test consiste donc à appliquer subitement une tension négative d’environ 15 V aux bornes d’une cellule solaire et un courant de 90% le courant de court-circuit de la cellule (ombrage léger). En agissant ainsi, on se place dans les conditions d’ombrage d’un cas extrême. L’évolution de la température a été enregistrée à l’aide d’une caméra infrarouge pour évaluer le point chaud.

Plusieurs cellules ont été testées et la figure 4.7 montre la réponse de la cellule la plus problématique, c’est-à-dire celle où la température est montée le plus haut et dans le laps de temps le plus court. Remarquons que cette figure met en évidence l’existence d’un point chaud majeur.

L’évolution temporelle de la température du point chaud est exponentielle (figure 4.8). On déduit l’équation à partir du graphique :

𝑇(°𝐶) = 25.2 + (148 − 25.2)𝑒 (4.1)

On mesure graphiquement la constante du temps: c’est l’abscisse du point d’ordonnée correspondant à 63% de la température maximale. On déduit approximativement un 𝜏 de :

𝜏 = 1,6 𝑠 (4.2)

Donc en moins de 2 s la température de la cellule monte à 100°C. Les algorithmes de recherche du point de puissance maximale devraient tenir compte de cette contrainte thermique.

Figure 4.8 Évolution temporelle de la température du point chaud

4.4.2.2 Durée d’exécution d’un algorithme de recherche globale

Pendant l'opération de recherche linéaire, le rapport cyclique 𝐷 est balayé linéairement de 0 à 90% avec un pas de 1%. Lorsqu'un rapport cyclique est appliqué à l'interrupteur de puissance

𝑄 (Fig. 4.3), le temps de réponse du système est dominé par la réponse du convertisseur de puissance. Une analyse de petits signaux convient donc pour déduire ce temps de réponse. Ce temps représente la durée pendant laquelle un rapport cyclique donné doit être maintenu avant de subir une augmentation.

En utilisant le modèle de moyenne de l'espace d'état, la fonction de transfert en petits signaux pour le convertisseur de la figure 4.3 est déduite. Considérant 𝐷, le rapport cyclique du montage comme entré et la tension de sortie du convertisseur élévateur (𝑉 ) comme sortie en mode de conduction continue, la relation du modèle en petit signal est donnée par :

où 𝑉 et 𝑑 sont respectivement les paramètres du petit signal de la tension du condensateur de sortie et du rapport cyclique. 𝜔 et ζ sont respectivement la fréquence propre et le facteur d'amortissement.

𝑍 = (1 − 𝐷) (4.4)

𝜔 =

√ (1 − 𝐷) (4.5)

𝜁 =√ _{( )} (4.6)

L’emplacement des pôles de (4.3) donnent l’information sur la nature de la réponse du système comme le temps de montée, le temps de stabilisation et le dépassement. Le temps de stabilisation est le temps nécessaire au système pour se stabiliser dans un certain pourcentage de sa valeur finale. Le temps de stabilisation est un facteur critique dans l'algorithme de recherche linéaire. L'équation caractéristique (4.3) a deux racines :

𝑝1 = −𝜁𝜔 ± 𝜔 𝜁 − 1 (4.7)

Si ζ> 1 les racines sont réelles (cas amorti)

Si ζ <1 les racines sont complexes (sous cas amorti)

Les racines de ce système de second ordre dépendent fortement des paramètres du circuit du convertisseur et du rapport cyclique de fonctionnement. Il en va de même pour le temps de stabilisation (ts). Cependant, pour un cas sous-amorti, le temps de stabilisation dépend uniquement des paramètres du circuit et non du rapport cyclique. En effet, les pôles sont complexes et le temps de stabilisation est inversement proportionnel à la partie réelle des pôles.

Le temps de stabilisation pour un système sous-amorti du second ordre répondant à une réponse à l’échelon peut être approximé par :

𝑒 < 𝑡𝑜𝑙é𝑟𝑎𝑛𝑐𝑒 (4.9)

Le temps de stabilisation dépend de la réponse du système et de la fréquence naturelle. À partir de la simulation, il a été observé qu'un temps de stabilisation de 30% (tolérance) suite à une perturbation du rapport cyclique est un bon compromis entre la précision et la rapidité (minimisation du temps pour l'opération de recherche totale). Le temps de stabilisation à 30% est alors:

𝑡 = . (4.10)

Les paramètres du convertisseur cc-cc de puissance sont : 𝑟 : = 0,5 Ω

𝑅: = 50 Ω 𝐶 = 300 μF 𝐿 = 400 μH 𝑓𝑠 = 5 kHz

En remplaçant (4.10), nous calculons :

ts = 2 ms (4.11)

À partir de (4.8), les racines deviennent réelles pour ζ> 1 correspondant à une équation de rapport cyclique critique de:

𝐷 = 1 − − (4.12)

Dcritique = 78% (4.12)

Pour l'intervalle 0,1 <𝐷 <0,78, le temps de réponse du système est approximativement constant et est calculé comme ci-dessus. Pour le reste de la plage du rapport cyclique (0,78 <𝐷 <0,9), le système présente une réponse de premier ordre. Le temps de réponse dépend de deux exponentielles en décroissance. Lorsque 𝐷 augmente vers la limite supérieure de 0,9, l'un des pôles se rapproche de l'axe imaginaire et la réponse transitoire est plus lente.

La conception du convertisseur a été réalisée de manière à avoir un rapport cyclique de 0,5 au MPP nominal. Ainsi, la plage la plus probable de 𝐷 pour la recherche du MPP en cas d'ensoleillement ou d'ombrage uniforme est comprise entre 0,1 et 0,75. L'analyse présentée ici combinée avec les données de simulation nous permet de conclure qu'il suffit d'utiliser une seule valeur du temps de stabilisation donnée par (4.10). Cette seule valeur fixe de temps de stabilisation simplifie considérablement la simulation et la mise en œuvre pratique de l'algorithme de recherche linéaire.

Enfin, le rapport cyclique varie de 0 à 90% par pas de 1%. Chaque rapport cyclique est maintenu pendant 2 ms. Le temps total pour l’algorithme est donc de 0,18 s, ce qui respecte avec une bonne marge de sécurité le temps de formation d’un éventuel point chaud. Comme la fréquence de commutation du convertisseur de puissance est de 5 kHz, chaque rapport cyclique est appliqué 10 fois au commutateur de puissance avant toute incrémentation.

4.5 Mise en œuvre expérimentale