Gestion des transitoires de charge :

La gestion des transitoires consiste en la compensation de la puissance lors de variations rapides de la charge. En effet, le changement du point de fonctionnement (niveau de puissance fournie) de la PAC est achevé seulement au bout d’un certain temps. Cette lenteur est due essentiellement à l’inertie mécanique du compresseur d’alimentation en air et varie selon chaque système de PAC. En général, ce temps est d'environs quelques dizaines de millisecondes à quelques secondes. Le système de générateur à PAC est donc incapable de satisfaire instantanément une demande en puissance de la charge. Il est donc nécessaire d'avoir recours à une source auxiliaire suffisamment rapide pour qu'elle compense les insuffisances de la PAC.

La source auxiliaire peut être une batterie, un super condensateur ou bien les deux ensembles. La batterie est économique mais ces caractéristiques dynamiques sont limitées. En effet, pour assurer une durée de vie importante, il est nécessaire de limiter les à-coups de charge sur celle-ci. Cette contrainte peut faire que la batterie peut ne pas satisfaire nos besoins. Le super condensateur, quant à lui, présente des caractéristiques dynamiques très intéressantes. De plus, sa durée de vie ne dépend pas trop des décharges

importantes que l'on peut lui imposer. D'un point de vue technologique, il apparaît donc le mieux adapté.

En revanche, son coût élevé est toujours une barrière, en particulier pour des puissances élevées. Ainsi il est possible que nous devions faire un compromis entre ces deux technologies.

4.4.1. Position de la source auxiliaire :

Nous discutons dans cette partie de la position de la source auxiliaire. Trois solutions les plus intéressantes sont présentées dans les figures 4.19, 4.20 et 4.21. En effet, la source auxiliaire peut être :

- Connectée en parallèle avec la sortie du convertisseur principal (Fig. 4.19).

- Connectée en parallèle avec la PAC à travers d’un convertisseur auxiliaire (Fig. 4.20).

- Intermédiaire entre deux étages en cascade du convertisseur principal (Fig. 4.21).

Dans les deux premières solutions, le convertisseur auxiliaire (connecté avec la source auxiliaire) doit être bidirectionnel et le contrôle – commande est plus complexe que dans la troisième. Par contre, ils sont intéressants du point de vue des pertes car en régime établi un seul convertisseur existe entre la source et la charge. De plus, la source auxiliaire est activée seulement lors des transitoires. La durée de vie des ces équipements est donc sûrement meilleure. Le choix entre la première et la deuxième solution est fait de manière à optimiser le dimensionnement du convertisseur auxiliaire. Ce choix dépend essentiellement de la tension en entrée ou en sortie du convertisseur principal (celui connecté avec la PAC) et des caractéristiques de la source auxiliaire.

PAC

DC DC

DC DC

Fig. 4.19. Mise en parallèle de la sortie de convertisseur principal et auxiliaire.

Source auxiliaire

La troisième solution, quant à elle, est intéressante quand le deuxième étage est obligatoire. C’est le cas où la charge est de type alternatif ou bien si un deuxième convertisseur DC/DC est introduit afin de satisfaire la contrainte d’un gain en tension élevé entre la charge et la PAC. Le contrôle – commande est plus simple que pour les deux premières solutions. La compensation à des variations de charge est faite naturellement par la batterie intermédiaire. Des convertisseurs unidirectionnels sont suffisants. En revanche, deux étages en série peuvent être une source de pertes importantes. De plus, la source auxiliaire est toujours en fonctionnement et en ligne. Par conséquent, sa durée de vie peut être réduite.

Dans le cas de notre convertisseur BUCK, nous allons choisir la première solution. C'est-à-dire, la batterie sera connectée avec un BOOST réversible en courant. La sortie de ce convertisseur auxiliaire sera mise en parallèle avec celle du BUCK. L’ensemble du système est illustré dans la figure 4.22.

PAC

DC DC

DC DC

Fig. 4.20. Convertisseur auxiliaire connecté à l’entrée du convertisseur principal.

Source auxiliaire

PAC

DC DC

DC

DC-AC Fig. 4.21. Source auxiliaire à l’intermédiaire entre deux étages en cascade.

Source auxiliaire

Fig. 4.22. Mise en parallèle de la source auxiliaire et principale

4.4.2. Construction de la commande :

La figure 4.22 présente l’ensemble du système PAC, son convertisseur principal et la source auxiliaire. La source auxiliaire est connectée avec un BOOST réversible en courant. La sortie du BOOST et celle du BUCK sont mises en parallèle. Le convertisseur principal, le BUCK, fonctionne en mode de tension tandis que le convertisseur auxiliaire, le BOOST, en mode de courant. La boucle de tension du BUCK calcule le courant que doit fournir la sortie des convertisseurs Is-ref. En régime transitoire, puisque la vitesse de variation du courant appelé de la PAC est limitée, il est possible que cet ensemble ne puisse pas fournir suffisamment de courant, c'est le BOOST et la source auxiliaire qui prendront alors le relais. Afin de protéger la PAC contre des variations trop rapides de la charge, le courant de référence du BUCK voit sa dérivée être limitée à la valeur maximale que peut tolérer la PAC. Le courant de référence du BOOST, quant à lui, sera la différence entre le courant demandé par la charge Is-ref et celui que peut fournir le BUCK ILBUCK-ref ramenée en consigne de courant d'entrée du BOOST grâce au rapport des tensions Vs/Vbat. Le schéma du système de commande est illustré dans la figure 4.23.

4.4.3. Comportement de l'ensemble lors de variations de charge :

Afin de tester cette stratégie de régulation entre l'ensemble convertisseur principal – PAC et convertisseur auxiliaire – source auxiliaire, nous avons soumis le système à plusieurs à-coups de charge. Ainsi le consigne en courant imposée par la charge passe à 25 A à t = 0s pour descendre ensuite à 12.5 A à t=0,04s. On peut constater que pour ces deux variations, la dérivée maximale du courant de PAC a été respectée (1kA/s dans cet exemple) et que c'est l'ensemble BOOST source auxiliaire qui a fourni ou absorbé le courant nécessaire de sorte que la tension de sortie a pu être correctement régulée. Le même comportement peut être observé à t= 0,07s pour une transition de charge plus importante. A t = 0,12s on peut constater que cet ensemble peut répondre aussi à des demandes ponctuelles de puissance supérieures à la puissance maximale que peut fournir la PAC.

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0

10 20 30 40 50 60 70 80

Temps, [s]

Tension, [V]

Tension de sortie

Fig. 4.24. Asservissement de tension Fig. 4.23. Gestion d’énergie en transitoire Vsref

CV

iLBUCK

Vs

αBUCK Vs

iLBOOST Vbat

s

V

V αBOOST

BUCK

BOOST I1max

CI2

CI1 Limitation

de pente

Is-ref

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 -10

0 10 20 30 40 50 60 70

Evolution des courants

Temps, [s]

Courant, [A] Is-PAC

Is-auxiliaire I-demande

I-fourni

Fig. 4.25. Compensation du courant en régime transitoire