Critère d’évaluation d’une chaîne de conversion photovoltaïque complète

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Le générateur photovoltaïque.

Principe d’une cellule photovoltaïque.

Une cellule photovoltaïque est un capteur constitué d’un matériau semi-conducteur absorbant l’énergie lumineuse et la transformant directement en courant électrique. Le principe de fonctionnement de cette cellule fait appel aux propriétés d’absorption du rayonnement lumineux par des matériaux semi -conducteurs. Ainsi, le choix des matériaux utilisés pour concevoir des cellules PV se fait en fonction des propriétés physiques de certains de leurs électrons susceptibles d’être libérés de leurs atomes lorsqu’ils sont excités par des photons provenant du spectre solaire et possédant une certaine quantité d’énergie selon leurs longueurs d’onde. Une fois libérés, ces charges se déplacent dans le matériau formant globalement un courant électrique de nature continu (DC). La circulation de ce courant donne alors naissance à une force électromotrice (fem) aux bornes du semi- conducteur correspondant ainsi au phénomène physique appelé effet photovoltaïque. La figure 2.1 illustre la constitution d’une cellule photovoltaïque en silicium.
Comparable à une diode utilisée classiquement en électronique, une cellule PV peut être réalisée à partir de deux couches de silicium, une dopée P (dopée au bore) et l’autre dopée N (dopée au phosphore) [2-4]. Entre les deux zones se développent une jonction PN avec une barrière de potentiel. La zone N est couverte par une grille métallique qui sert de cathode (contact avant) et surtout de collecteurs d’électrons, tandis qu’une plaque métallique (contact arrière) recouvre l’autre face du cristal et joue le rôle d’anode.
Lorsque les photons sont absorbés par le semi-conducteur, ils transmettent leur énergie aux électrons par collision. Si l’énergie transmise est supérieure à celle associée à la bande interdite (Eg) du semi-conducteur, des paires électrons-trous sont alors crées dans cette zone de déplétion par arrachement des électrons. Sous l’effet d’un champ électrique E qui règne dans cette zone, ces porteurs libres sont drainés vers les contacts métalliques des régions P et N. Il en résulte alors un courant électrique dans la cellule PV et une différence de potentiel (de 0.6 à 0.8 Volt) supportée entre les électrodes métalliques de la cellule, communément nommée tension de circuit ouvert (VOC) fortement dépendante de la température. Le courant maximal PV se produit lorsque les bornes de la cellule sont court-circuitées. On parle alors de courant de court-circuit (I CC) dépendant fortement du niveau d’éclairement (E). La figure 2.2 illustre la caractéristique non linéaire I(V) d’une cellule PV à base de silicium pour un éclairement et une température donnée, avec la présence d’un point de puissance maximal (PPM) caractérisé par sa tension et son courant optimaux (VOPT et IOPT). D’autres matériaux peuvent être utilisés pour réaliser les capteurs PV. Ces travaux n’étant pas l’objet de cette thèse, nous invitons le lecteur ayant besoin de plus de précisions dans ces domaines à consulter les documents suivants [5-7].
En résumé, technologiquement, un capteur PV est proche d’une diode PN de par sa constitution, les matériaux utilisés, et les phénomènes physiques identiques mis en œuvre. Le comportement d’une cellule PV peut donc se modéliser comme celui d’une mauvaise jonction PN autant en statique qu’en dynamique lorsque cette dernière n’est pas éclairée. Pour tenir compte du courant engendré par l’éclairement de la cellule et des différentes résistances modélisant les pertes dues à la connectique, trois termes sont ajoutés ICC, RS et RP. Ainsi, en statique, le comportement d’une cellule PV constituée d’une jonction PN à base de silicium peut être décrit par l’équation suivante [8] : ICELL = ICC − ISAT exp − 1 − nV R (2.1) T P KT où V = T e avec ISAT (A) correspondant au courant de saturation.
VT (V), le potentiel thermodynamique.
K (J.K-1), la constante de Boltzmann.
T (K), la température effective de la cellule.
e (C), la charge de l’électron.
n, un facteur de non idéalité de la jonction.
ICELL (A), le courant fourni par la cellule.
VCELL (V), la tension aux bornes de la cellule.
ICC (A), le courant de court-circuit de la cellule dépendant de l’ensoleillement et de la température,
RP (Ω), la résistance de shunt caractérisant les courants de fuites de la jonction,
RS (Ω), la résistance série représentant les diverses résistances des contacts et de connexions.
La figure 2.3 illustre un schéma équivalent électrique représentant le comportement statique d’une cellule PV réelle. Ce modèle très simplifié nous permet de modéliser le comportement d’une source d’énergie électrique provenant de capteurs PV. Ainsi, comme illustré sur la figure 2.2, la cellule peut être assimilée à une source de tension, à droite du PPM, plus ou moins parfaite en fonction de la pente dI/dV proche de la verticale et à une source de courant à gauche du PPM. Pour la mise au point des commandes MPPT appropriées, cette modélisation s’avère très utile pour en déduire les performances de ces commandes autour du PPM.

Constitution d’un générateur photovoltaïque.

La cellule photovoltaïque élémentaire constitue un générateur de très faible puissance vis-à-vis des besoins de la plupart des applications domestiques ou industrielles. Une cellule élémentaire de quelques dizaines de centimètres carrés délivre, au maximum, quelques watts sous une tension inférieure au volt (tension de jonction PN). Pour produire plus de puissance, plusieurs cellules doivent être assemblées afin de créer un module ou un panneau photovoltaïque. La connexion en série des cellules permet d’augmenter facilement la tension de l’ensemble, tandis que la mise en parallèle permet d’accroître le courant. Le câblage série/parallèle est donc utilisé pour obtenir globalement un générateur PV aux caractéristiques souhaitées.
La plupart des modules commercialisés sont constitués de deux à quatre réseaux de cellules en silicium cristallins connectées en série, comme l’illustre la figure 2.4. Chacun de ces sous-réseaux est lui-même constitué d’un groupe de cellules connectées en série (18 cellules pour le module PV référencé BP585). Le nombre de cellules de chaque sous-réseau correspond à un compromis économique entre protection et perte d’une partie importante du GPV en cas de défaut partiel d’ombrage.
La caractéristique électrique I(V) de ce type de GPV s’avère proche de celle d’une cellule PV aux rapports de proportionnalités près. Ces rapports dépendent du nombre de cellules connectées en série et du nombre de branches de cellules associées en parallèle. Cette caractéristique est également non linéaire et présente un point de puissance maximal (PPM) caractérisé par un courant et une tension nommés respectivement, comme pour la cellule, IOPT et VOPT. Sur la figure 2.5, nous pouvons observer l’évolution du PPM d’un module commercial typique de 100W crêtes constitué de 36 cellules monocristallines en série, en fonction de la température et de l’éclairement.

Protections classiques d’un GPV.

Pour garantir une durée de vie importante d’une installation photovoltaïque destinée à produire de l’énergie électrique sur des années, des protections électriques doivent être ajoutées aux modules commerciaux afin d’éviter des pannes destructrices liées à l’association de cellules en séries et de panneaux en parallèles. Pour cela, deux types de protections classiques sont utilisés dans les installations actuelles (figure 2.4) :
– la diode anti-retour empêchant un courant négatif dans les GPV. Ce phénomène peut apparaître lorsque plusieurs modules sont connectés en parallèle, ou bien quand une charge en connexion directe peut basculer du mode récepteur au mode générateur, par exemple une batterie durant la nuit.
– les diodes by-pass peuvent isoler un sous-réseau de cellules lorsque l’éclairement n’est pas homogène évitant ainsi l’apparition de points chauds et la destruction des cellules mal éclairées. La mise en conduction de ces diodes affecte la caractéristique de sortie du générateur, comme illustré sur la figure 2.6 [2, 3], par la perte d’une partie de la production d’énergie et par la présence de deux maximums de puissance.

Introduction d’un étage d’adaptation.

Comme illustré précédemment, le point de fonctionnement peut se trouver plus ou moins éloigné du PPM, voir ne pas exister. Ce dernier cas se produit par exemple, lorsqu’une batterie connectée à un GPV, présente une tension de batterie systématiquement supérieure à la tension de circuit ouvert du générateur photovoltaïque (VOC). Alors, aucun transfert de puissance ne peut avoir lieu. Ainsi, l’un des intérêts à introduire un étage d’adaptation comme indiqué sur la figure 2.9, est d’assurer que le transfert d’énergie est toujours possible et qu’il peut s’effectuer dans des conditions de fonctionnement optimales pour la source PV et la charge. Pour cela, il suffit d’effectuer un choix sur l’étage d’adaptation selon ses propriétés de conversion de puissance et la présence d’au moins un degré de liberté lui permettant d’adapter les tensions et les courants autant en valeur qu’en forme entre son port d’entrée et son port de sortie pour respecter au mieux les contraintes d’une part du GPV et d’autre part, de la charge. L’électronique de puissance largement utilisée dans divers domaines de la conversion d’énergie offre plusieurs solutions potentielles sous forme de convertisseurs statiques (CS).
En résumé, selon l’application et le degré d’optimisation de production souhaités, l’étage d’adaptation entre le GPV et la charge peut être constitué d’un ou plusieurs convertisseurs statiques et permet d’assurer les fonctions suivantes :
– adapter les niveaux de tensions entre la source et la charge dans de grandes proportions si nécessaire (convertisseur Buck, Boost,….),
– introduire une isolation galvanique (convertisseur Flyback, Forward,…),
– connecter une charge avec des besoins d’alimentation de type alternative (onduleur).
Il est à remarquer que l’étage d’adaptation ne remplace pas forcément les protections électriques évoquées dans la section 2.2.3, pour que le GPV fonctionne dans de bonnes conditions et ait une durée de vie importante. Ainsi, dans la plupart des cas, les protections initiales de diodes by-pass et de diodes anti-retour sont également indispensables lors d’une connexion à l’aide d’un étage d’adaptation.
L’introduction d’un étage d’adaptation permettant de fixer le point de fonctionnement du GPV indépendamment de celui de la charge, permet l’extraction de la puissance optimale. L’ensemble peut fonctionner de façon idéale, si diverses boucles de contrôle en entrée et en sortie de l’étage d’adaptation sont prévues. En entrée, elles garantissent l’extraction à chaque instant, du maximum de puissance disponible aux bornes du GPV. Et en sortie, des boucles de contrôle spécifiques permettent un fonctionnement optimal de chaque application dans son mode le plus approprié. Les techniques utilisées classiquement pour les boucles de contrôle en entrée consistent à associer à l’étage d’adaptation une commande appelée MPPT (de l’anglais Maximum Power Point Tracking) qui effectue une recherche permanente du PPM [9, 10]. Cependant, en pratique, pour que l’étage d’adaptation joue le rôle d’interface idéale (sans pertes) entre les deux éléments, plusieurs conditions sont à respecter :
– le type d’action de contrôle sur le port d’entrée ne doit pas générer des pertes en régime statique ou transitoire,
– le transfert de la puissance du GPV ne doit pas être minimisé par les diverses pertes liées au fonctionnement de l’étage d’adaptation.
L’objectif des travaux de cette thèse s’inscrit entièrement dans la recherche de solutions optimisées en fonction des applications. Pour illustrer nos propos, nous faisons tout d’abord un état des lieux des solutions existantes au niveau des lois de contrôle MPPT, ainsi que de leurs limites. La recherche du PPM étant en effet le premier point délicat à assurer, nous avons consacré une partie de ce chapitre à faire le bilan des différentes solutions en la matière.

Principe de la recherche du point de puissance maximal.

Généralités.

Des lois de commandes spécifiques existent pour amener des dispositifs à fonctionner à des points maximums de leurs caractéristiques sans qu’a priori ces points soient connus à l’avance, ni sans que l’on sache à quel moment ils ont été modifiés ni qu’elles sont les raisons de ce changement. Pour le cas de sources énergétiques, cela se traduit par des points de puissance maximum. Ce type de commande est souvent nommé dans la littérature « Recherche du Point de Puissance Maximum » ou bien « Maximum Power Point Tracking » en anglo-saxon (MPPT). Le principe de ces commandes est d’effectuer une recherche du point de puissance maximal (PPM) tout en assurant une parfaite adaptation entre le générateur et sa charge de façon à transférer le maximum de puissance.
La figure 2.10 représente une chaîne élémentaire de conversion photovoltaïque élémentaire associée à une commande MPPT. Pour simplifier les conditions de fonctionnement de cette commande, une charge DC est choisie. Comme nous pouvons le voir sur cette chaîne, la commande MPPT est nécessairement associée à un quadripôle possédant des degrés de liberté qui permettent de pouvoir faire une adaptation entre le GPV et la charge. Dans le cas de la conversion solaire, le quadripôle peut être réalisé à l’aide d’un convertisseur DC-DC de telle sorte que la puissance fournie par le GPV corresponde à la puissance maximale (PMAX) qu’il génère et qu’elle puisse ensuite être transférée directement à la charge.

Synthèse des différentes MPPT rencontrées dans la littérature.

Diverses publications sur les commandes assurant un fonctionnement de type commande MPPT apparaissent régulièrement dans la littérature depuis 1968, date de publication de la première loi de commande de ce genre, adaptée à une source d’énergie renouvelable de type photovoltaïque [11]. Etant donné le grand nombre de publications dans ce domaine, nous avons fait une classification des différentes MPPT existantes en les regroupant selon leur principe de base. La classification, en plus du principe, s’est effectuée selon des critères comme la précision de la recherche ou sa rapidité pour en faire une évaluation comparative. Seuls les algorithmes qui nous semblent décrire une méthode de recherche spécifique sont reportés dans ce manuscrit et brièvement analysés.

Les premiers types de commande MPPT.

L’algorithme mis en œuvre dans les premières commandes MPPT était relativement simple. En effet, les capacités des microcontrôleurs disponibles à l’époque étaient faibles et les applications, surtout destinées au spatial avaient beaucoup moins de contraintes en variation de température et d’éclairement que les applications terrestres. Appliqué initialement au photovoltaïque, son principe a d’abord été décrit par A.F. Boehringer [11]. Cette commande est basée sur un algorithme de contrôle adaptatif, permettant de maintenir le système à son point de puissance maximum (PPM). Ce dernier est décrit en figure 2.12 et peut être implanté entièrement en numérique.

Performances de la commande MPPT numérique.

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 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.

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.

Comparaison entre deux MPVE Boost avec commande MPPT (analogique et numérique) et une connexion directe

La figure 3.12 représente les conditions d’essais que nous avons utilisés pour analyser les performances énergétiques des trois types de montages à comparer, à savoir trois GPV faisant appel :
– à un CS doté d’une MPPT analogique,
– à un CS avec une MPPT numérique,
– une connexion directe pour se connecter à une charge de type batterie.
Les trois montages doivent fonctionner dans des conditions quasiment similaires pour pouvoir faire des comparaisons de performances des étages d’adaptation et en déduire s’il y a amélioration des performances ou non. Le premier montage est réalisé à partir d’une structure élévatrice associée à la commande MPPT extrêmale numérique avec délai fixe (figure 3.12(a)). Le deuxième montage correspond à la connexion directe d’un GPV à une charge à travers la diode anti-retour (figure 3.12(b)), montage qui est aujourd’hui la solution la plus utilisée à cause de son faible coût économique. Le troisième montage est identique au premier (figure 3.12(c)), à l’exception de la commande MPPT qui est, dans ce cas, analogique.
Les trois montages sont connectés à trois GPV constitués chacun d’un seul panneau référencé BP 585, dont les caractéristique électriques sont mentionnées dans le tableau III et illustrées sur la figure 3.13. Ces GPV ont été préalablement appairés pour diminuer les dispersions des performances. Seule la tension de la batterie change. En effet, pour la connexion directe, on utilise une tension de batterie (12 V) inférieure à la tension VOC (21 V) du GPV, afin d’obtenir un point de fonctionnement le plus proche possible de l’optimum préconisé par le constructeur.

Table des matières

1 INTRODUCTION GENERALE
2 GENERATEUR PHOTOVOLTAIQUE : PROBLEMATIQUE DE LA PRODUCTION DE PUISSANCE MAXIMALE
2 1 Introduction
2 2 Le générateur photovoltaïque
2 2 1 Principe d’une cellule photovoltaïque
2 2 2 Constitution d’un générateur photovoltaïque
2 2 3 Protections classiques d’un GPV
2 3 Connexion directe entre la source et la charge
2 4 Introduction d’un étage d’adaptation
2 5 Principe de la recherche du point de puissance maximal
2 5 1 Généralités
2 5 2 Synthèse des différentes MPPT rencontrées dans la littérature
2 6 Définitions des différents rendements d’une chaîne de conversion photovoltaïque
2 6 1 Critères d’évaluation d’un module photovoltaïque
2 6 2 Critères d’évaluation d’une commande MPPT
2 6 3 Critère d’évaluation d’un étage de conversion
2 6 4 Critère d’évaluation d’une chaîne de conversion photovoltaïque complète
2 7 Synthèse
3 COMMANDE MPPT NUMERIQUE
3 1 Introduction
3 2 Les commandes MPPT Numériques présentes dans la littérature
3 2 1 Apport du numérique sur les MPPT utilisant une variable d’incrémentation
3 2 2 Principe du mode de recherche de la commande MPPT du LAAS-CNRS
3 2 3 Commande MPPT Analogique du LAAS-CNRS
3 2 4 Commande MPPT Numérique du LAAS-CNRS
3 3 Relevés expérimentaux
3 3 1 Performances de la commande MPPT numérique
3 3 2 Comparaison entre deux MPVE Boost avec commande MPPT (analogique et numérique) et une connexion directe
3 3 3 Commande MPPT Numérique Adaptative du LAAS-CNRS
3 4 Synthèse
4 AMELIORATION DE L’ETAGE DE CONVERSION DE PUISSANCE
4 1 Introduction
4 2 Transfert d’énergie effectué par un convertisseur statique
4 2 1 Etude du comportement du ηCONV
4 2 2 Mise en parallèle de convertisseurs
4 3 Etude du mode interleaving pour convertisseurs appliqués au PV
4 3 1 Fonctionnement de N convertisseurs en mode interleaving
4 3 2 Amélioration du rendement en mode interleaving
4 3 3 Application aux sources photovoltaïques
4 3 4 Etage d’adaptation en mode Interleaving du LAAS-CNRS
4 3 5 Validations
4 4 Etage d’adaptation réalisé à partir de N semigirateurs en parallèles
4 4 1 Rappels du principe du girateur de puissance
4 4 2 Rappels du concept de semigirateur de puissance
4 4 3 Exemple d’étage d’adaptation à base de deux semigirateurs connectés en parallèle
4 4 4 Validation des travaux
5 ETUDE COMPARATIVE DE DIFFERENTES CHAINES DE CONVERSION PV
5 1 Introduction
5 2 Etude comparative entre une chaîne de conversion classique et une chaîne de conversion munie d’un étage d’adaptation multi-cellules
5 2 1 Mesures comparatives
5 2 2 Synthèse des essais comparatifs de la section 5
5 3 Nouveaux développements de topologies PV au LAAS-CNRS
5 3 1 Synthèse des architectures de centrales photovoltaïques existantes
5 3 2 Architecture PV discrétisée du LAAS-CNRS
5 3 3 Synthèse des essais comparatifs de la section
5 4 Synthèse
6 CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
7 REFRENCES BIBLIOGRAPHIQUES

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