Equilibrage passif

2.3. LE PRINCIPE DE L’EQUILIBRAGE ACTIF... 99

3. ETUDE THEORIQUE ... 100

3.1. LA STRUCTURE PROPOSEE... 100

3.1.1. La structure ... 100 3.1.2. La commande... 100

3.2. GENERALISATION... 102 3.3. LES CONTRAINTES SUR LES COMPOSANTS... 103

3.3.1. Inductance ... 103 3.3.2. Semi-conducteurs... 107

3.4. VALIDATION DU FONCTIONNEMENT ET LIMITES... 109

3.4.1. A l’équilibre... 110 3.4.2. Mismatch ... 111 3.4.3. Générateurs nuls... 113

3.5. CALCUL DES PERTES... 114

3.5.1. Inductances... 114 3.5.2. Semi-conducteurs... 119 3.5.3. Commandes ... 121

3.6. ALGORITHME DE MPPT ... 122

4. OPTIMISATION DU NOMBRE D’EQUILIBREUR ... 122

4.1. LES DIFFERENTES STRUCTURES ETUDIEES... 123 4.2. LES CAS TYPIQUES ETUDIES... 123

4.2.1. Eclairement homogène ... 125 4.2.2. Les cas d’ombrage... 126

4.3. LES RESULTATS... 127

4.3.1. Eclairement homogène ... 127 4.3.2. Influence de l’ombrage... 128 4.3.3. Influence de la mise en série... 129 4.3.4. Influence de la mise en parallèle ... 130

4.4. ETUDE DU SYSTEME COMPLET... 130

5. EXPERIMENTATION ... 131 5.1. LE PROTOTYPE... 131 5.2. MESURE DU RENDEMENT... 132 5.3. LA PROCEDURE DE TEST... 133 5.4. PERFORMANCE DE L’EQUILIBREUR... 135 5.4.1. Sans Ombre ... 135

5.4.2. Avec un générateur ombré ...136 5.4.3. Avec deux générateurs ombrés...138 5.4.4. Avec un mismatch important ...139 5.4.5. Influence des rapports cycliques de l’équilibreur ...139 5.4.6. Bilan ...140

1. Introduction

Nous avons vu au cours des chapitres précédents que les systèmes photovoltaïques actuels mettent un grand nombre de cellules PV en série. Cette mise en série crée des pertes par mismatch. Ces pertes peuvent avoir deux origines : structurelles (deux générateurs PV issus du même process ne possèdent pas des caractéristiques identiques) ou fonctionnelles (les conditions de fonctionnement de deux générateurs PV peuvent être différentes à cause d’un éclairement ou d’un refroidissement différent) et peuvent fortement diminuer la production d’une centrale PV. Dans les Chapitres II et III nous avons développé des solutions intégrant de l’électronique de puissance au sein du champ PV pour diminuer l’impact de ces pertes par mismatch. Dans les deux cas la discrétisation n’a pu être supérieure à un module de 72 cellules PV.

Pour le hacheur parallèle, l’augmentation de la discrétisation, qui s’accompagne de l’augmentation du gain en tension (et donc de la baisse du rendement), limite la tension d’entrée à 36V. Il en est de même pour le hacheur modulaire série pour lequel l’optimisation définissait un hacheur avec 72 cellules PV en entrée comme optimum.

L’électronique de puissance permet dans ces deux scénarios une discrétisation plus élevée que dans les topologies classiques mais ne permet pas de s’affranchir des diodes de by-pass et de leurs problèmes.

Ces limitations viennent du fait que ces convertisseurs transitent toute la puissance même lorsque le mismatch est faible. Lorsque les gains potentiels de puissance sont faibles, le transit de toute la puissance est handicapant.

Pour nous rapprocher de la cellule PV, l’utilisation d’un convertisseur mis en parallèle aux cellules PV connectées en série et ne transitant que la différence de puissance entre les générateurs PV pourrait permette un gain important de rendement lors de mismatchs faibles.

Dans ce chapitre, le principe des structures d’équilibrage est présenté et le choix d’une structure permettant la réalisation d’un module PV intégrant un équilibreur toutes les 18 cellules est étudié. L’équilibreur remplace un système passif (les diodes de by-pass) par un système actif.

Le fonctionnement général, les contraintes sur les composants, la forme des courants et des tensions pour un équilibreur à n étages sont présentés. Cette étude générale permet ensuite d’estimer la performance de plusieurs topologies et d’en déduire la plus performante.

Le prototype d’un module PV intégrant l’équilibreur est réalisé et ses performances sont comparées à un module classique dans plusieurs scénarios de fonctionnement et d’ombrage.

2. Les structures d’équilibrage

Avant de présenter le principe des structures d’équilibrage nous allons rappeler le contexte et la problématique qui entourent la mise en série de cellules PV.

2.1.La problématique

Dans le Chapitre I nous avons expliqué le fonctionnement des cellules PV et les problèmes d’une mise en série de cellules PV. Comme nous l’avons vu, des différences de caractéristiques I(V) peuvent provenir d’une irradiation solaire différente où de différences intrinsèques dues au processus de fabrication des cellules PV. Le point de puissance maximal de chaque générateur PV n’est donc pas atteint pour le même courant et/ou pour la même tension.

Par exemple, lors de la mise en série de deux générateurs PV ayant des caractéristiques différentes deux scénarios sont possibles : soit le générateur le plus faible impose son point de fonctionnement à toutes les autres, soit le générateur le plus faible est by-passé. Dans les deux scénarios, l’un des deux générateurs ne fonctionne pas à son point de puissance maximale. La puissance extraite de cette mise en série est donc plus faible que la puissance théoriquement disponible en entrée. Nous avons vu que ces pertes pouvaient être très importantes en présence d’ombrages mais qu’elles existaient en permanence en raison de la dispersion naturelle des caractéristiques. En effet, même lorsque les générateurs PV subissent les mêmes conditions, une mise en série classique peut induire jusqu’à 6% de pertes par mismatch (cf. Chapitre I).

Dans les Chapitres II et III deux solutions permettant la réduction de ces pertes par mismatch ont été présentées mais nous avons montré que les topologies de champs de type modulaire parallèle ou série ne permettaient pas une discrétisation efficace en dessous de 72 cellules PV. Pour réaliser une discrétisation plus fine du champ PV et pour s’affranchir des diodes by-pass, une solution de type équilibreur est présentée ici. Ces structures permettent d’adapter le point de fonctionnement de chaque générateur sans transiter toute la puissance.

2.2.Les structures et les applications

Les structures d’équilibrage sont initialement apparues pour la gestion de la charge et la décharge de packs de batteries. La problématique de la gestion d’un pack de batteries est similaire à la problématique d’un générateur PV. Dans une mise en série de batteries, l’élément le plus faible doit être protégé pour ne pas risquer la destruction. Dans une mise en série de générateurs PV, l’élément le plus faible va limiter les autres. Les structures d’équilibrage sont essentielles pour gérer l’état de charge de chaque élément et éviter la détérioration d’un ou plusieurs éléments. On retrouve ces structures d’équilibrage pour la gestion des batteries et des super-capacités [GUA]. Ces structures pourraient également répondre à la problématique similaire des générateurs PV. Deux principaux types d’équilibrage ont été développés : l’équilibrage passif et l’équilibrage actif.

2.2.1. Equilibrage passif

L’équilibrage passif est utilisé pour la gestion de la charge au sein d’un pack de batterie ou de super-capacités [NIS00], [BAR00]. Le circuit d’équilibrage passif est le plus simple à implanter. Il consiste en la mise en place d’une résistance en parallèle avec chaque élément. Cette solution génère beaucoup de pertes et ne peut pas être envisagée dans une application PV.

Un équilibrage passif peut également être réalisé en mettant une diode Zener en parallèle de chaque élément. L’utilisation d’une diode Zener présente une meilleure efficacité que l’utilisation d’une résistance mais la dissipation locale d’énergie peut encore être très importante. Dans les modules PV actuels, une solution voisine est utilisée. Elle consiste à la mise en antiparallèle d’une diode toutes les 18 cellules pour empêcher le fonctionnement en inverse et la destruction de la cellule la plus faible.

L’équilibrage passif est très simple à mettre en œuvre mais présente des performances limitées et l’utilisation d’un équilibrage actif peut permettre des gains importants d’efficacité.