Etage d’adaptation abaisseur

3.4.1.1 Schéma de principe.

La figure 3.5 montre un GPV avec son étage d’adaptation constitué d’un convertisseur abaisseur (buck). Pour assurer la protection du GPV, nous devons inclure la diode anti-retour D1, celle-ci empêchant la batterie de se décharger pendant la nuit à travers la diode parasite Dp

du MOSFET M.

Par la commande MLI, le convertisseur buck génère des courants pulsés sur le port d’entrée. Afin d’éviter que les courants pulsés affectent le GPV et pour assurer que le courant délivré par le GPV soit continu, il est nécessaire de placer un condensateur de filtrage C₁ entre le GPV et le convertisseur. Un compromis doit être fait sur la valeur de ce condensateur devant assurer d’un coté un filtrage suffisant et, de l’autre, ne devant pas avoir une valeur trop élevée pour ne pas ralentir trop la réponse du système. Nous avons choisi empiriquement une valeur de 150 µF, valeur qui, en pratique, sur nos panneaux, est le bon compromis entre un filtrage correct et une réponse dynamique rapide.

Charge

Figure 3.5 : Exemple de réalisation d’un étage d’adaptation abaisseur d’un GPV avec fonction MPPT fonctionnant sur batterie ayant Vbat < Voc.

Pour éliminer complètement la présence des courants pulsés liés au fonctionnement du convertisseur statique et pouvant perturber le GPV, nous pouvons insérer un filtre de deuxième ordre de type LC à l’entrée du buck. La structure complète est alors appelée dans la littérature anglo-saxonne « Buck Converter with Input Filter ». Dans le reste de ce mémoire, nous la référençons comme la structure BIF.

La figure 3.5 montre le schéma de principe ayant servi pour la réalisation expérimentale devant charger une batterie de 12 V à partir d’un générateur BP 585. Les paramètres du circuit sont alors les suivants : C1= 150 uF, C2=50uF, L2=100uH pour une fréquence de découpage de 140kHz.

Pour que le buck puisse transférer de la puissance électrique instantanément de l’entrée vers la sortie, la tension de sortie doit être inférieure à la tension d’entrée ou, de manière équivalente, le courant de sortie doit être supérieur au courant d’entrée (condition du dévolteur). Nous pouvons trouver une situation où le convertisseur ne transfère pas de puissance quand, par exemple, une des cellules du GPV est complètement ombrée. Alors, la puissance fournie par le GPV sera nulle malgré la mise en conduction de la diode by-pass du sous réseau de cellules auquel appartient la diode ombrée. En effet, la mise en conduction de cette diode donne lieu au fonctionnement de la moitié du module restant sans défaut pouvant fournir jusqu’à la moitié de la puissance nominale d’un panneau, mais comme la tension de ce sous-réseau sera inférieure à la tension de la batterie, le convertisseur ne transférera pas de puissance à la batterie. Alors, le circuit de commande MPPT peut avoir des problèmes de recherche de point optimal quand la tension optimale V_opt correspondante est inférieure à la tension de la batterie. Ceci peut arriver quand la batterie est en fin de charge (autour de 16 V) et la tension optimale Vopt est faible à cause par exemple d’une température de fonctionnement des cellules trop élevée.

3.4.1.2 Mesures

Pour bien évaluer les performances du buck, comme d’ailleurs pour toutes les autres structures, nous avons étudié le comportement expérimental du courant du GPV (IPV), de sa tension (V_PV), et de sa puissance instantanée (P_PV), ainsi que la tension aux bornes de la batterie (V_BAT) et la variable de contrôle fournie par la commande MPPT (V_C).

Un relevé expérimental est consigné en figure 3.6. Sur cet essai, le comportement en régime établi de la variable de contrôle V_c et des grandeurs d’entrée du convertisseur buck avec la fonction MPPT analogique développée au sein du LAAS [5] peuvent alors être analysés en fonction du temps. Nous pouvons constater que l’algorithme de la commande MPPT extrémale impose une variation de rapport cyclique entre deux valeurs proches engendrant des formes d’onde triangulaires de la variable de contrôle Vc et oscillatoires pour les grandeurs électriques d’entrée du convertisseur DC/DC. L’intervalle de l’onde triangulaire où la pente est positive correspond à une trajectoire du point de fonctionnement du GPV de gauche à droite en direction du point de puissance maximale. L’intervalle où la pente est négative correspond à une trajectoire de droite à gauche. Ainsi, il y a deux passages par M pour chaque période du signal triangulaire V_c. La tension V_PV correspondante à la différence de potentiel d’entrée du DC/DC est déphasée de 180º par rapport au signal V_c. Le courant I_PV correspond bien à celui prévu dans la section 2.5.2 du chapitre 2. Sur cet essai, le rendement MPPT mesuré selon les définitions du chapitre 2 est de 99 % pour une puissance fournie par le GPV de 28.75 W.

Figure 3.6 : Exemple de relevé de mesures en régime statique d’un buck avec fonction MPPT analogique utilisé en mode chargeur de batterie de 12 V nominale.

Le comportement du buck en régime établi étant validé, il était intéressant d’effectuer des essais réels pour connaître la réponse d’un tel système vis-à-vis d’un certain nombre de transitoires qui se produisent en réalité à cause de la nature même d’un générateur constitué d’un ensemble de cellules.

Ainsi, si un GPV est constitué de plusieurs branches de cellules mises en parallèle, si une des branches ne peut pas produire de l’énergie parce qu’elle se retrouve ombrée, phénomène pouvant se produire naturellement lors de passages nuageux sur des applications terrestres ou provenant d’une éclipse dans les applications spatiales, la branche ombrée se déconnecte momentanément du reste du système à travers sa diode anti-retour. Ce transitoire est donc intéressant à étudier car il peut se produire plusieurs fois dans une journée sous les climats tempérés. Le protocole que nous avons mis en place correspond à examiner le transitoire le plus défavorable qui puisse se produire pour un tel GPV. Nous avons alors examiné systématiquement la réponse du système alimenté par deux GPV en parallèle pouvant fournir au total une puissance double au relevé de la figure 3.6 pour l’ensemble des structures. Le but des essais dont les résultats sont consignés en figure 3.7 était d’étudier les variations brusques de courant du GPV sur un champ de panneaux mis en parallèle à l’ordre 2. Dans le relevé expérimental de la figure 3.7, le courant d’entrée du convertisseur augmente brutalement pendant que la tension reste inchangée correspondant à un ombrage qui disparaît.

Le nouveau point de puissance maximale est alors atteint très rapidement par le système de recherche MPPT conformément aux études théoriques consignées au chapitre 2. Ceci était prévisible car nous pouvons constater que la tension Vopt du GPV n’a pratiquement pas changé malgré cette variation brutale de courant. Ainsi, comme la commande MPPT fixe un rapport cyclique correspondant au lien entre la tension de sortie fixée par la batterie et la tension du GPV, il n’y a pas de modification de variation de D dans ce cas. Ainsi, l’adaptation au nouveau point d’opération est très rapide. Un fonctionnement similaire de l’étage d’adaptation est observable quand le courant chute.

vC

PPV

VPV

I_PV VBAT

a)- Connexion b) Déconnexion

Figure 3.7 : Réponse d’un GPV avec étage d’adaptation constitué de deux panneaux BP 585 en parallèle à des variations brusques de courant IPV.

Le deuxième type d’essais que nous avons mené correspond à l’étude du comportement d’un GPV constitué d’un grand nombre de cellules mises en série protégées par groupe à l’aide de diodes by-pass. Comme dans le cas précédent, nous nous sommes intéressés au comportement de l’ensemble lorsqu’une partie du GPV est ombrée. Une première partie de ces essais est effectuée à l’aide d’un panneau associé à une alimentation de tension de 5V correspondant à la tension théorique de l’association de 8 à 10 cellules. Pour simuler un ombrage sur une ou plusieurs cellules d’un regroupement déclenchant la mise en conduction de la diode by-pass associée, on court-circuite l’alimentation (attention, choisir une alimentation qui supporte le court-circuit pour ces essais). Les relevés expérimentaux de ces essais effectués pour le buck sont consignés en figure 3.8.

a) Connexion b) Déconnexion

Figure 3.8 : Réponse d’un GPV constitué de x cellules en série dont quelques unes sont court-circuitées par la diode by-pass en cas d’ombrage.(simulés par une source de

tension auxiliaire de 5 V).

vC PPV

V_PV IPV

VBAT

vC

PPV

V_PV IPV

V_BAT v_C

P_PV VPV

I_PV V_BAT

v_C

PPV

VPV

I_PV V_BAT