3 COMMANDE MPPT NUMERIQUE 47
3.3 Relevés expérimentaux 63
3.3.1 Performances de la commande MPPT numérique 63
Les performances de la commande MPPT numérique ont été évaluées à l’aide d’un étage d’adaptation conçu à partir d’un convertisseur de type Boost, comme présenté sur la
figure 3.7. Cette structure est destinée aux applications où la tension de charge, (dans notre cas, la tension de batterie), est supérieure à la tension d’entrée présente au niveau du convertisseur, soit la tension en circuit ouvert (VOC) du GPV. Il est à remarquer que la
position de la diode de roue libre D, présente sur cette structure de conversion, assure la
protection anti-retour du courant de la batterie vers le GPV. L’utilisation de cette structure permet donc de s’affranchir d’un composant de protection, et ainsi de réduire le coût de l’étage d’adaptation tout en augmentant le rendement global de la chaîne de conversion par l’élimination des pertes dues à la conduction directe de la diode anti-retour.
Une réalisation expérimentale a été faite pour connecter un panneau PV de type BP 585 à une batterie plomb de 24 V. Les valeurs des paramètres principaux du circuit calculés pour une fréquence de découpage de 280 kHz sont les suivantes : CI = 2 µF, CO = 2 µF et L = 33
µH.
Le transfert de puissance, théoriquement, pour une structure élévatrice n’est possible que si la tension de sortie est supérieure à la tension d’entrée. Si on considère le cas où la tension de la batterie, à cause d’une décharge profonde, devient inférieure à la tension du GPV, la structure Boost peut quand même fonctionner en mode dégradé. En effet, le passage
du courant du générateur vers la batterie est possible à travers la diode de roue libre permettant ainsi de récupérer une partie de l’énergie fournie par le GPV. Dans ce mode de fonctionnement, aucune régulation n’est possible et l’étage d’adaptation ne fonctionne pas à proprement parlé. Le point de fonctionnement est alors directement imposé par la valeur de la tension de batterie, comme expliqué dans le chapitre précédent lors de la connexion directe entre un GPV et une source de tension. Ainsi, dans le pire des cas, en mode dégradé, le Boost
se comportera comme une simple diode et sera assimilable à une connexion directe produisant encore de l’énergie. Ceci peut représenter un avantage important pour cette structure par
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rapport à une structure abaisseuse qui dans le cas d’une tension de batterie supérieure à la tension VOC du GPV, ne permet plus aucun transfert de puissance.
3.3.1.1 Mesures en régime établi.
Pour bien évaluer les performances des commandes MPPT, nous avons étudié le comportement expérimental des variables du GPV, tels que le courant IPV, la tension VPV et la
puissance instantanée PPV, ainsi que la tension aux bornes de la batterie VBAT et la variable de
contrôle VC fournie par la commande.
Un exemple de relevé expérimental est consigné sur la figure 3.9. Sur cet essai, on peut observer le comportement en régime établi (ensoleillement homogène) de la variable VC et des
grandeurs d’entrée du convertisseur Boost avec la fonction MPPT numérique développée au
sein du LAAS sur plusieurs cycles d’oscillations. L’algorithme de recherche de la commande MPPT extrêmale impose, par la variable VC, une variation du rapport cyclique entre deux
valeurs proches, engendrant des formes d’ondes triangulaires et des oscillations pour les grandeurs électriques d’entrée du convertisseur DC/DC.
Pour rappel, le signal VC correspond à l’intégration du signal TRACK délivré par le
microcontrôleur. La zone de l’onde triangulaire où la pente est positive correspond à une trajectoire du point de fonctionnement du système de la droite vers la gauche sur la caractéristique IPV (VPV) en direction du PPM. L’intervalle où la pente est négative correspond
à une trajectoire de la gauche vers la droite. Ainsi, sur une période du signal VC, le PPM est
atteint deux fois.
Figure 3.9 : Relevé expérimental en régime établi d'un convertisseur Boost associé à la commande MPPT numérique fonctionnant en mode chargeur de batterie (24 V).
VBAT
VPV
VC
PPV
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La tension VPV est proportionnelle à la tension de contrôle VC avec un déphasage de
180°, tel que nous pouvions le prévoir à partir de l’expression (3.5). A partir de la caractéristique IPV (VPV), il est facile de s’apercevoir que le déphasage entre la tension et le
courant est de 180°.
Sur les relevés de la figure 3.9, nous pouvons mesurer le rendement de la commande MPPT qui est directement lié à la valeur d’amplitude des oscillations autour du PPM. Ce rendement est obtenu en faisant le ratio entre la puissance moyenne <PPV> délivrée par le
GPV et de la puissance maximale PMAX disponible sur le GPV [3, 47]. Le rendement MPPT
mesuré dans cet essai expérimental est de 98,8 % pour une puissance fournie par le GPV de 22,71 W.
3.3.1.2 Mesure en régime transitoire.
Le comportement de la commande MPPT associé à un convertisseur Boost en régime
établi étant validé, il est intéressant de connaître la réponse d’un tel système vis-à-vis d’un certain nombre de transitoires pouvant se produisent en réalité.
En général, un GPV, de moyenne et forte puissance, est constitué par la mise en parallèle de plusieurs branches de cellules. Si une de ces branches est ombrée même partiellement, (phénomène pouvant se produire naturellement surtout lors de passages nuageux pour des applications terrestres), les protections de cette branche s’activent et momentanément la déconnectent du reste du système au moyen de la diode anti-retour. L’étude de ce transitoire est intéressante car il peut se produire plusieurs fois dans une journée sous des climats tempérés et sur des installations de puissance crête importante. Sur ce type de contraintes, nous avons souhaité connaître le temps de recouvrement de notre MPPT sachant qu’a priori, c’est la contrainte temporelle la plus dure que nous ayons observé sur des changements brutaux de IPV. Le protocole que nous avons alors mis en place pour reproduire
ce phénomène revient à mesurer le temps de réaction de notre système lorsqu’une branche de cellules est déconnectée ou reconnectée et d’observer globalement le comportement du système. Pour cela, nous avons alimenté le système à partir de deux panneaux PV en parallèles pouvant fournir au total une puissance correspondant au double du relevé de la figure 3.9. Sur le relevé expérimental de la figure 3.10 (a), on peut observer que le courant d’entrée du convertisseur augmente brutalement alors que la tension reste inchangée simulant un ombrage qui disparaît. Le nouveau PPM est alors atteint très rapidement par la commande MPPT (entre 5 et 10 ms). Ceci est cohérent car nous pouvons constater que la tension VOPT du
GPV n’a pratiquement pas varié malgré cette variation brutale de courant. Comme la valeur du rapport cyclique est fixée par la commande MPPT en fonction de la tension d’entrée du GPV (VOPT), qui est restée quasi constante, cela n’implique aucune modification au niveau de
la variable de consigne (VC). Ainsi, l’obtention du nouveau PPM est très rapide. Un
fonctionnement similaire de l’étage d’adaptation est observable sur la figure 3.10 (b) quand le courant chute, simulant l’apparition d’un ombrage sur une des branches.
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a) Connexion b) Déconnexion
Figure 3.10 : Réponse d'un GPV avec étage d'adaptation constitué de deux panneaux BP 585 en parallèles 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 chacune par une diode by-pass. Comme précédemment, 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 PV classique associé en série avec une alimentation de tension de 5 V correspondant théoriquement à l’association de 8 à 10 cellules. Pour simuler un ombrage sur une ou plusieurs cellules d’un groupement, 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 ce type d’essais). Les relevés expérimentaux effectués sur une structure Boost sont consignés en figure 3.11. Dans ce cas, la tension
optimale (VOPT) correspondant à la puissance maximale du GPV se trouve modifiée lorsqu’on
connecte ou déconnecte le générateur de tension auxiliaire. Comme nous pouvons le constater, un temps de l’ordre de 20 ms est nécessaire à l’algorithme de recherche pour atteindre le nouveau PPM. Nous pouvons constater une différence importante de comportement par rapport à la situation duale de variation brutale de courant GPV. Dans ce dernier cas, la commande MPPT adapte la valeur du rapport cyclique pour retrouver un nouveau PPM et osciller autour de la nouvelle tension optimale (VOPT).
a) Connexion b) Déconnexion
Figure 3.11 : Réponse d'un GPV constitué de x cellules en série dont quelques unes sont court-circuitées par la diode by-pass en présence d'ombrage (simulés par une source de tension auxiliaire de 5 V).
VBAT VPV VC PPV IPV VBAT VPV VC PPV IPV VBAT VPV VC PPV IPV VBAT VPV VC PPV IPV
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Ces tests réels simples à réaliser ont mis en évidence le comportement de la commande MPPT numérique lorsqu’elle est associée à un étage d’adaptation survolteur. La commande ainsi réalisée garantit un rendement autour de 99 % en régime établi, et des temps de réponse courts pour un grand nombre de perturbations possibles. Comparé à [3], on s’aperçoit que le passage du mode analogique vers le mode numérique de la commande MPPT n’a pas affecté ses performances. Nous avons cependant souhaité pousser plus loin les tests comparatifs pour savoir l’apport en termes de gain énergétique que représente une commande MPPT numérique. Nous décrivons la procédure suivie dans le paragraphe suivant.