Mise en œuvre de la commande optimisée MPPT

La Figure III.58 donne l’architecture globale du système de secours avec les commandes associées (cf. [RC°7] § 7.6.3). Le dimensionnement des sources est conforme à celui présenté au Tableau III.2 pour le stockage « maître ». Celui-ci possède donc le dimensionnement précédent à 31,5 kW, avec le supercondensateur de 7 F.

Le contrôle de la puissance de la RAT est réalisé indirectement par l’intermédiaire du courant de la machine électrique, lui-même agissant sur le couple électromagnétique de cette même machine.

La structure présentée lors de l’utilisation du stockage comme filtre de puissance possède l’inconvénient de conserver la régulation de la tension supercondensateur par un régulateur continu. Outre le fait que son réglage est difficile, le temps de réponse est relativement lent, et la maîtrise des oscillations difficile. L’idée est alors de remplacer cette régulation par une simple commande par hystérésis. L’action s’effectue directement sur la commande MPPT : le mode MPPT est conservé tant que le supercondensateur est insuffisamment chargé. Le mode normal n’est retrouvé qu’après avoir atteint un taux de charge correct du supercondensateur.

Les boucles de régulation sont toutes conservées par rapport à la commande par filtrage précédente (cf. § III.4.2.8), hormis celle de la tension supercondensateur. Les performances de ces boucles étant identiques, les différents temps de réponse sont inchangés. Il est rappelé que la boucle de régulation du courant de la RAT doit être un peu plus lente que celle de la tension de bus, de manière à assurer une bonne stabilité de cette tension.

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…

VCsup ref min

ICsup ref – + Reg ICsup Vcvs ref ICsup + + V_Csup Csup bus V V bus V 1 αref V_Csup α MS I_RAT I_stoc

RAT Stockage + Cbus

C_bus I_Cbus V_bus Vbus ref – + Reg Vbus ICbus ref Vbus

ICsup refVbus +

+ Ich– IRAT

Istoc refVbus

I_Csup I_RAT Ich Iex I_RAT Vex I_{RAT ref} Reg Iex ex L 2 – + Iex ref I_ex Φex ref Vex ref + + –VLcvs ref VCsup ref max

MPPT Ich Vbus Pch PRAT ref 1/Vbus IRAT ref Maîtrise EdC

Réglage tension de bus

Figure III.58 : Commande optimisée MPPT. Architecture avec stockage par supercapacité « maître » : régulation de tension de bus par le stockage. Contrôle de l’état de charge

supercapacité via la commande MPPT de la RAT.

L’hystérésis de tension supercondensateur est fixé de manière à garantir un état de charge compris entre 75 % et 90 %. Cela correspond, pour le supercondensateur de 250 V, à des tensions de 216 V et 237 V.

III.4.3.5 Résultats de simulations

Les essais s’effectuent après redimensionnement de la RAT à la puissance théorique de 25,5 kW. Il est indispensable de disposer une RAT de faible puissance afin de la faire fonctionner proche de ses limites, et d’obtenir ainsi des phases de fonctionnement en MPPT.

Les résultats sur une durée de mission de 200 s sont présentés en Figure III.59. Contrairement à ce que l’on observait avec la commande par filtrage, la puissance fournie par la RAT n’est plus lentement variable. Elle suit la puissance fournie par les charges, sauf lors des phases de fonctionnement MPPT. Dans ces simulations, la vitesse avion est constante (140 nds), ce qui explique une puissance constante lors des phases MPPT.

La grandeur mppt on correspond à l’indice de fonctionnement en mode MPPT. Il vaut « 1 » lorsque ce mode est actif, et « 0 » en mode normal. La vitesse de rotation ΩT ref

correspond à la vitesse de rotation de la turbine ramenée dans le repère de la turbine de référence (RAT 57 kW)35_{. Cette vitesse est bien maîtrisée, et garde toujours des valeurs}

éloignées du décrochage.

Figure III.59 : Commande optimisée MPPT : mise en évidence de son bon fonctionnement. En haut : puissance de charge Pch, de RAT PRAT et de stockage Pstoc. En haut milieu : indice de

fonctionnement MPPT mppt on. En bas milieu : angle de calage des pâles ϑ. En bas : vitesse de rotation de la turbine ramenée dans le repère original (RAT de référence) ΩT ref.

Comme expliqué précédemment, la stratégie MPPT fonctionne avec une butée dynamique : le besoin en puissance du réseau est comparé à chaque instant à la puissance maximale donnée par le calcul (III.50). Si cette demande devient supérieure à ce que peut fournir la RAT en son point maximal, la consigne de puissance de la RAT devient la butée correspondante à la puissance maximale. C’est ce que montre précisément la Figure III.60. La sollicitation du système de stockage implique alors une décharge du supercondensateur. Lorsque la puissance des charges redevient inférieure à la puissance optimale de RAT, la MPPT est tout de même maintenue. Le mode normal n’est retrouvé que lorsque la tension du supercondensateur devient supérieure à 237 V, assurant une charge à 90 % de cet élément.

35 _{Des explications au sujet du référentiel de la vitesse de rotation de la RAT sont données en Annexe C. Voir en}

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Figure III.60 : Commande optimisée MPPT : mise en évidence de son bon fonctionnement. En haut : puissance de charge Pch, de RAT PRAT et de stockage Pstoc. En haut milieu : indice de

fonctionnement MPPT mppt on. En bas milieu : vitesse de rotation de la turbine ramenée dans le repère original (RAT de référence) ΩT ref. En bas : tension aux bornes du supercondensateur VCsup.

Avant le passage en fonctionnement MPPT, il se produit une pointe de puissance fournie par la RAT. Cette pointe dépasse la valeur de stabilisation après activation du mode MPPT. Or, la logique est telle que le basculement en mode MPPT s’opère dès que la puissance demandée à la RAT est supérieure à celle calculée par le dispositif MPPT. Cela s’explique par la variation de la vitesse de rotation de la turbine, qui modifie la valeur de la puissance optimale. Puisque la vitesse est initialement élevée, la puissance optimale calculée par le MPPT est élevée ; la RAT fournit donc la puissance qui lui est demandée, sans basculer en mode MPPT. En revanche, lorsque la puissance qu’elle fournit atteint une valeur faisant chuter sa vitesse de rotation, la puissance optimale calculée par le MPPT diminue, jusqu’à devenir inférieure à la puissance demandée à la RAT. Le mode MPPT est alors activé : la RAT fournit la puissance optimale calculée par le MPPT. Puisque la puissance qu’elle fournit à l’instant du basculement est élevée, sa vitesse de rotation continue sa décroissance, d’où une chute de la puissance fournie, jusqu’à atteindre une valeur stabilisée de la vitesse, entraînant ici une puissance électrique d’environ 27 kW.

Les temps de réponses en puissance sont donc directement liés aux temps de réponse en vitesse de rotation de la RAT, et ainsi directement liés à la constante de temps mécanique de la RAT. La constante de temps de la commande est négligeable vis- à-vis de cette dernière.

La Figure III.61 montre les allures de courant et tensions du supercondensateur. Le courant est faible relativement à celui admissible par les composants (cf. § III.4.2.2). Quant aux tensions, elles témoignent d’un état de charge élevé du dispositif de stockage à chaque instant. La Figure III.62 montre que la tension de bus est correctement régulée et que la valeur du condensateur de bus pourrait là encore être réduite.

Figure III.61 : Commande optimisée MPPT. Courant délivré par le supercondensateur ICsup.

Tension externe VCsup et interne VCsup i du

supercondensateur.

Figure III.62 : Commande optimisée MPPT. Tension du bus continu régulée par le système

de stockage.

A titre informatif, la Figure III.63 et la Figure III.64 donnent les puissances mises en jeu dans le système de stockage. Elles sont très proches de celles observées au paragraphe III.4.2.9 avec la commande duale par filtrage (cf. Figure III.51 et Figure III.52).

Figure III.63 : Commande optimisée MPPT. Puissances fournie et dissipée par le

supercondensateur.

Figure III.64 : Commande optimisée MPPT. Puissance fournie par le système de stockage

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Enfin, la RAT a été sous-dimensionnée davantage, en cherchant la limite de fonctionnement. Jusqu’à un dimensionnement à 24 kW au lieu de 25,5 kW, le fonctionnement est correct. Par contre, pour un dimensionnement à 23 kW, la RAT n’est pas capable de fournir l’énergie nécessaire à la mission. Sur une longue échelle de temps, les consommateurs sont obligés de puiser dans l’élément de stockage, ce qui entraîne une lente décharge de ce dernier, comme le montre la Figure III.65.

Figure III.65 : Commande optimisée MPPT. Sous-dimensionnement excessif de la RAT : 23 kW. En haut : puissance de charge Pch, de RAT PRAT et de stockage Pstoc. Au milieu : indice de

fonctionnement MPPT mppt on. En bas : tension de bus Vbus et tension aux bornes du

supercondensateur VCsup.

Malgré le fonctionnement permanent en mode MPPT, la RAT n’est pas capable de fournir une puissance suffisante pour recharger convenablement le supercondensateur pendant les creux de puissance sur le réseau. Il est donc nécessaire de ne pas sous- dimensionner excessivement la RAT, afin qu’elle soit capable de fournir la puissance moyenne demandée par le réseau (sur quelques minutes).