Conception et réalisation du convertisseur MPPT

Commande MPPT des convertisseurs DC/DC

Par définition, une commande MPPT, associée à un étage intermédiaire d’adaptation, permet de faire fonctionner un générateur PV de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance voir figure I.5. Ainsi, quels que soient les conditions météorologiques (température, irradiation), et quel que soit la tension de la batterie, la commande du convertisseur place le système au point de fonctionnement maximums (Vopt, Iopt). Pour cela, plusieurs systèmes ont été publiés dans la littérature. [] Figure I.5 : Chaine de conversion photovoltaïque avec convertisseur DC/DC contrôlé par une commande MPPT sur charge DC Le point de puissance maximale PPM est habituellement contrôlé par deux variables de commandes : La tension et la puissance qu’on mesure à chaque instant. Ces dernières sont employées à nouveau dans une boucle pour déterminer si le module est au point de puissance maximale.

L’algorithme de recherche MPPT peut être plus au moins complexe en fonction du type d’implantation choisie et des performances recherchées. Cependant, tous les algorithmes performants doivent agir sur la variation du rapport cyclique du convertisseur de puissance associé. De nombreuses recherches sur les commandes MPPT ont été effectuées afin de trouver un système optimal permettant une recherche du PPM selon l’évolution de la puissance fournie par le générateur photovoltaïque. Ces techniques servent à obtenir un meilleur rendement dans le fonctionnement des générateurs PV. Dans ce qui suit, nous allons rappeler les différentes approches (techniques) pour faire fonctionner un panneau solaire au voisinage de son point de puissance maximale. Les méthodes les plus courantes sont : méthodes basées sur la contre réaction de la tension, méthodes basées sur la contre réaction de la puissance et les méthodes basées sur la contre réaction du courant. Le classement a été fait en fonction de leur principe et de leur performance. Malgré la quantité d’études menées dans ce domaine, beaucoup présentaient des imperfections lorsqu’elles étaient en situation réelle.

Résultats de simulation

Les figures (II.4, II.5) présentent une simulation du modèle du panneau photovoltaïque pour différents niveaux de rayonnement à une température constante. Nous remarquons que la valeur du courant de court-circuit est directement proportionnelle à l’intensité du rayonnement. Par contre, la tension en circuit ouvert ne varie pas dans les même proportions, elle reste quasiment identique même à faible éclairement. On s’aperçoit de l’existence d’un point ou la puissance est maximale. Il est intéressant de se placer sur ce point pour tirer le maximum d’énergie et exploiter au mieux la puissance crête installée. Les figures (II.6, II.7) présentent une simulation du modèle du panneau photovoltaïque pour différentes températures de fonctionnement des cellules photovoltaïques à un éclairement constant : Nous remarquons que la température à une influence négligeable sur la valeur du courant de court-circuit. Par contre, la tension en circuit ouvert baisse assez fortement lorsque la température augmente, par conséquence la puissance extractible diminue. Lors du dimensionnement d’une installation, la variation de la température du site sera à prendre impérativement en compte. Il est important de savoir que la puissance diminue environ de 0.5% par chaque degré d’augmentation de la température de la cellule au dessus de 25°c.

Description de la commande MPPT à réaliser

Comme nous l’avons cité dans le premier chapitre, notre réalisation MPPT se base sur la méthode de « Perturbation et Observation P&O » pour sa simplicité. La figure IV.2 présente le schéma de principe de la commande MPPT Cette méthode de recherche du point de puissance maximale est considérée comme la première technique développée pour atteindre cet objectif, elle se base sur l’algorithme suivant : Le système démarre d’un rapport cyclique initial « α0 » et d’une puissance initiale P0. Après avoir effectué la mesure du courant « Ipv» et la tension « Vpv » aux bornes du PV, le produit (Vpv * Ipv) est calculé. Ce dernier est l’image de la puissance instantané Ppv (k+1) délivrée par le générateur PV à l’instant où la mesure est effectuée. Cette image est alors comparée à la puissance précédente Ppv (k) et α est incrémenté. Une fois α modifié, Ppv (k) prend la valeur de la puissance précédente Ppv (k+1) et α0 prend la valeur de α, enfin, une nouvelle mesure de Vpv et Ipv est effectuée pour calculer la nouvelle puissance Ppv (k+1). L’objectif de notre étude est la réalisation d’une commande MPPT numérique basée sur la commande déjà existante en version analogique. Les objectifs concrets que nous voulons atteindre par cette réalisation numérique sont les suivantes :

Conception de l’unité de contrôle

L’unité de contrôle conçue dans ce travail consiste à effectuer la mesure des différentes grandeurs requises par l’algorithme utilisé (tension et courant débités par le panneau photovoltaïque) pour générer ensuite le signal de commande requis. Cet objectif est atteint en utilisant un microcontrôleur 16F877A. Ce dernier est capable de générer un signal MLI. Néanmoins, ce signal ne peut être utilisé pour commander d’une manière directe les composants de puissance à savoir les MOSFET ou les IGBT qui consistent a êtres commandés par une tension de +15V. Comme la tension générée par le microcontrôleur est de l’ordre de 0-5V, un dispositif (Driver) est utilisé pour effectuer cette tache. Le Driver que nous avons choisi est le (IR2109). Ce dernier a été choisi pour sa haute fréquence de fonctionnement et sa basse consommation. La figure IV.7 montre la disposition des broches du driver et leurs connexions aux composants de puissance. IV.7 : schéma d’une application typique du IR2109 Enfin, un circuit d’isolation galvanique (opto-coupleur) est prévu pour assurer la protection de l’unité de contrôle.

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Le fait d’employer un opto-coupleur contribue à la sécurité du montage et permet ainsi d’amplifier le signal et d’assurer un haut niveau d’isolation électrique entre la partie commande et la partie puissance. La carte de commande sera ainsi protégée contre tout court-circuit éventuel dans la partie puissance. Dans notre cas, on a utilisé un opto-coupleur « 4N35 », la figure IV.8 montre le circuit utilisé. Pour l’affichage des différentes grandeurs mesurées et d’autres informations utiles, nous avons utilisé un afficheur à cristaux liquides (LCD) à deux (02) lignes. Un circuit intégré spécialisé est chargé de la gestion du module. Il remplit une double fonction d’une part, il commande l’affichage, et se charge de la communication avec l’extérieur. Le tableau ci-dessous présente les différentes broches de l’afficheur. Tableau VI.1 : Les différentes broches de l’afficheur Ces composants sont utilisés dans le circuit de commande, donc l’implémentation des ces composants se fait dans une même carte. La figure IV.10 montre le schéma du circuit de commande.

Conclusion générale

Le générateur photovoltaïque est un convertisseur d’énergie caractérisé par un point de fonctionnement où la puissance générée est maximale. Ce point se déplace en fonction des conditions atmosphériques. Un mécanisme de poursuite s’avère alors indispensable pour que le générateur photovoltaïque puisse fonctionner avec efficacité. Grace à la présence d’un processus de poursuite de point de puissance maximale, connu sous le nom de contrôleur MPPT, une adaptation source/charge est réalisée, permettant un transfert maximal de puissance. Dans un premier temps, nous avons montré l’effet de l’irradiation solaire et de la température sur les caractéristiques de base du modèle mathématique d’un panneau photovoltaïque, par conséquent, une validation expérimentale de ce dernier a été effectuée par des essais expérimentaux. Nous terminons cette partie par le dimensionnement du convertisseur à réaliser. Dans la deuxième partie, la configuration et la programmation du microcontrôleur a été réalisée pour qu’il puisse rependre aux exigences de la commande MPPT, nous passerons ensuite à la réalisation des différentes cartes électroniques (Alimentations, Capteurs, carte de commande et carte du convertisseur). Enfin, des essais ont été effectués sur le système réalisé. Les performances de la commande MPPT ont été vérifiées par le relever de la puissance de sortie et celle d’entrée. La commande MPPT numérique ainsi réalisée est très avantageuse notamment par rapport au cout et la rapidité de poursuite, néanmoins, elle présente quelques inconvénients à savoir, le manque de précision. Cet obstacle peut être corrigé en ajoutant un circuit analogique à la sortie du PIC pour assurer la régulation.

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Généralités sur les systèmes photovoltaïques
I.1. Introduction
I.2. Systèmes photovoltaïques autonomes
I.2.1 Topologie type 1
I.2.2. Topologie type 2
I.2.3. Topologie type 3
I.2.4. Topologie type 4
I.3. Commande MPPT des convertisseurs DC/DC
I.3.1. Méthodes de contre réaction de tension
I.3.1.1. Méthode à tension de référence fixe
I.3.1.2. Méthode PPM avec Vco du panneau
I.3.1.3. Méthode MPPT avec cellule pilote
I.3.2. Méthode de la dérivée de la puissance
I.3.2.1. Méthode de perturbation et observation (P & O
I.3.2.2. Méthode par incrémentation de conductance
I.3.3. Méthode avec contre réaction du courant
I.4. Conclusion
Chapitre II: Modèle et dimensionnement
II.1. Introduction
II.2. Modèle de la cellule photovoltaïque
II.3.Résultats de simulation
II.3.1. Association de cellules photovoltaïques en série
II.3.2. Association de cellules PV en parallèle
II.4. Validation du modèle mathématique
II.5. Etude et réalisation du convertisseur
II.5.1. Hacheur survolteur (boost)
II.5.2. Dimensionnement du convertisseur
II.5.2.1. Calcul de l’inductance de lissage L1
II.5.2.2. Calcul du condensateur de filtrage de bus
II.6. Conclusion
Chapitre III: configuration et programmation du PIC16F877A
III.1. Introduction
III.2. Qu’est ce qu’un microcontrôleur ou PIC
III.2.1. Principes caractéristiques du PIC 16F877A
III.2.2: Architecture interne de PIC 16F877A
III.2.3. Brochage du PIC 16F877A
III.3. Différentes étapes de la configuration de PIC
III.3.1. La conversion analogique numérique (A/N)
III.3.2. Génération d’un signal PWM « MLI »
III.3 .2.1. Les registre utilisés pour la PWM
III.3.2.2. Initialisation correspondant à ce mode PWM
III.4. Choix du compilateur
III.4.1. Présentation de MPLAB IDE
III.4.2. Création d’un nouveau projet
III.5. Conclusion
Chapitre IV: Conception et réalisation du convertisseur MPPT
IV.1. Introduction
IV.2. Description de l’installation
IV.3. Description de la commande MPPT à réalisée
VI.4. Présentation du prototype
IV.4.1. Bloc d’alimentation
IV.4.2. Conception de l’unité de mesure
IV.4.3. Conception de l’unité de contrôle
IV.4.4. Réalisation du convertisseur BOOST
IV.5. Essais expérimentaux
IV.6. Conclusion
Conclusion générale
Annexes

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