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Pr. Moulay Rachid Douiri

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Ch. V : Contrôle de la MPPT d'un Système Photovoltaïque 1

Introduction

Dans le but d’atteindre la valeur optimale du générateur photovoltaïque, le bloc d’adaptation doit être muni d’une commande MPPT, qui va agir son rapport cyclique en fonction des variations des conditions météorologiques de manière à maximiser la puissance délivrée par PV. Dans ce sens, nous représenterons dans ce chapitre le fonctionnement à puissance maximale et les différents types de commande de la recherche du point de puissance maximale. Par la suite nous donnerons les résultats de simulation pour la recherche du point de puissance maximale pour différentes valeurs de températures ou d’ensoleillement en utilisant les deux algorithmes "Perturber et Observer" et "Incrémentation de la Conduction" .

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Recherche du point de maximum de puissance maximale (MPPT) :

Principe : Pour que le système photovoltaïque fonctionne à des points de puissance maximums de leurs caractéristiques, il existe des lois des commandes spécifiques qui répondent à ce besoin. Cette commande est nommée dans la littérature "Maximum Power Point Tracking". Le principe de ces commandes est de chercher le point de puissance maximale en gardant une bonne adaptation entre le générateur et sa charge pour assurer le transfert de la puissance maximale. La Fig .1 représente la chaine de conversion photovoltaïque élémentaire associée à une commande MPPT. Panneau photovoltaïque

Pe

Pmax

I

Convertisseur Ps DC/DC

Charge

 rapport cyclique Commande MPPT

V Fig. 1. Chaine de conversion d’un système photovoltaïque comprenant une commande MPPT.

La technique de contrôle consiste donc à agir sur le rapport cyclique de manière automatique pour amener le point de fonctionnement du générateur à sa valeur optimale quelques soit les instabilités météorologiques et les variations brutales de la charge.

3

Différents types de commandes MPPT :

Les commandes MPPT se différent en fonction de leur principe de fonctionnement, leur précision, leur simplicité et leur rapidité de recherche. Dans ce qui suit nous allons citer les principales commandes rencontrées dans la littérature.

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3.1 La méthode de Perturbation et observation (PO) : C’est l’algorithme de poursuite du MPPT le plus utilisé, et comme son nom l’indique il est basé sur la perturbation du système par l’augmentation ou la diminution de Ve où en agissant directement sur le rapport cyclique de convertisseur DC/DC, puis l’observation de l’effet sur la puissance de sortie du panneau. Si la valeur de la puissance actuelle P(K) du panneau est supérieure à la valeur précédente P(k-1), alors on garde la même direction de perturbation précédente, sinon on inverse la perturbation du cycle précédent.

 Le fonctionnement de l’algorithme PO : La Fig. 2, représente l'algorithme de la méthode PO. À chaque cycle, Vpv et Ipv sont mesurés pour calculer Ppv(k). Cette valeur de Ppv(k) est comparée à la valeur Ppv(k-1). Si la puissance de sortie a augmenté, V(k-1) calculée au cycle précédent. Si la puissance de sortie a augmenté, Vpv est ajustée dans la même direction que dans le cycle précédent. Si la puissance de sortie a diminué, Vpv est ajustée dans la direction opposée que dans le cycle précédent. Vpv est ainsi perturbé à chaque cycle de MPPT. Quand le point de puissance maximale est atteint, Vpv oscille autour de la valeur optimale Vop. Ceci cause une perte de puissance qui augmente avec le pas de l’incrémentation de la perturbation. Si ce pas d'incrémentation est large, l'algorithme du MPPT répond rapidement aux changements soudains des conditions de fonctionnement. D'autre part, si le pas est petit, les pertes, lors des conditions de changements atmosphériques lents ou stables, seront inférieures mais le système ne pourra pas répondre rapidement aux changements rapides de la température ou de l'éclairement. Le pas idéal est déterminé expérimentalement en fonction des besoins. Si une augmentation brutale de l’ensoleillement est produite, on aura une augmentation de la puissance du panneau. L’algorithme précédent réagit comme si cette augmentation est produite par l’effet de perturbation précédente, alors il continu dans la même direction qui est une mauvaise direction, ce que l’éloigne du vrai point de puissance maximale. Ceci cause un retard de réponse lors des changements soudains de fonctionnement et des pertes de puissance. Inputs: V (t ), I (t ), V (t  t ), P(t ) et P(t - t ) V  V (t )  V (t  t ) P  P(t )  P(t  t ) P  0

No P

No Yes

Decrease Vref

V

0

0

Yes Yes

No

V

Yes 0

Increase Vref

Increase Vref Return

Fig. 2. Organigramme de l’algorithme Perturber et Observer. 2

No Decrease Vref

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Nous avons réalisé le modèle de simulation de l’algorithme PO sous Matlab/Simulink comme le montre le Fig.3.

Fig. 3. Algorithme de perturber et observer sous Matlab/Simulink

3.2

La méthode d’incrémentation de la conduction :

Cette technique est basée sur la variation de la conductance du GPV et son influence sur la position du point de fonctionnement. La variation élémentaire de la conductance (incrément) du module photovoltaïque sont définies respectivement par : G

dG 

I pv

(1)

v pv dI pv

(2)

dv pv

Le MPPT peut être atteinte en comparant à chaque instant la valeur de la conductance (IPV/VPV) avec celle de l’incrément de conductance (dIPV/dVPV). La Fig. 4 montre l’algorithme de cette méthode, ou Ve la tension de référence. Inputs: V (t ), I (t ), V (t  t ) et I(t - t )

V  V (t )  V (t  t ) P  P(t )  P(t  t ) I  I (t )  I (t  t )

V  I   0  0 P  P  No

No

V P

 I 0  P

 0 

Yes

Yes

Decrease Vref

Increase Vref Return

Fig. 4. Organigramme de l’algorithme IC 3

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La dérivée de la puissance peut s’écrire sous la forme : dPpv dv pv



d  v pv I pv  dv pv

 I pv .

dv pv dvv

 v pv .

dI pv dv pv

 I pv  v pv

dI pv dv pv

(3)

 Si I pv  v pv dI pv  dI pv   I pv , le point de fonctionnement est sur le MPPT. dv pv

dv pv

v pv

 Si I pv  v pv dI pv  dI pv   I pv ,le point de fonctionnement est à gauche du MPPT. dv pv

 Si I  v pv pv

4

dI pv dv pv



dv pv

dI pv dv pv



v pv

 I pv

, le point de fonctionnement est sur la droite du MPPT

v pv

Validation des méthodes proposées

Pour valider les algorithmes MPPT que nous avons proposés, on a comparé l'algorithme MPPT basé sur la méthode d'observation de la perturbation sans estimation initiale de la valeur de référence avec l'algorithme MPPT basé sur la méthode de l'incrémentation (Figs. 6 et 7). Cette comparaison est basée sur l'efficacité de la poursuite du MPPT disponible aux bornes des panneaux solaires. Nous avons réalisé dans un premier temps la simulation dans Matlab/Simulink (Fig. 5) de l'algorithme proposé et comparé les résultats obtenues. Comme le montre les Figs. 6 et 7 la simulation présente une oscillation autour de la puissance optimale, les résultats simulés de la méthode PO (Fig. 7) ont donné une efficacité de poursuite de 92% comparée à 68% pour la méthode IC (Fig. 6). Les Figs. 6 et 7 montrent les résultats de simulation pour les deux méthode proposée. On remarque que l'efficacité de poursuite du point puissance maximale par notre approche est nettement meilleure que celle obtenue par la méthode classique. La Fig. 8 donne une simulation comparative sans et avec l'implémentation de l'algorithme MPPT basé sur la méthode PO dont la quelle la puissance attient une puissance maximale de 62 W quel que soit la tension V, tendis que l'absence de l'algorithme MPPT permet d'atteindre une puissance minimale de 20 W.

Fig. 5. Modèle général de la conversion d'énergie photovoltaïque sous Malab/Simulink

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Fig. 6. Algorithme MPPT basé sur la méthode de l'incrémentation

Fig. 7. Algorithme MPPT basé sur la méthode d'observation de la perturbation

Fig. 8. Étude comparative avec ou sans utilisation d'algorithme MPPT-PO

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Conclusion

L’algorithme PO est une correction de l’algorithme IC puisqu’il est capable de calculer la direction dans laquelle la perturbation du point de fonctionnement devrait être pour atteindre le PPM, et il peut aussi l’atteinte du MPPT. De plus, dans les conditions de changement rapide de l’ensoleillement, l’algorithme ne devrait pas prendre la mauvaise direction comme c’est le cas avec l’algorithme IC, et il n’oscille pas autour de MPPT une fois qu’il l’atteint.

Discussions et conclusions Les travaux présentés dans cette partie concernent les systèmes photovoltaïques. Ces systèmes sont amenés à connaître des développements importants liés essentiellement à une volonté de plus en plus affichée de diversification des moyens de production de l'énergie et d'un meilleur respect de l'environnement. Associées à une production centralisée, cette sources d'énergie peuvent contribuer à une meilleure gestion de l'énergie électrique dans un contexte de développement durable. D'un point de vue économique, ces systèmes ne sont pas encore compétitifs. Cependant, la sûreté élevée qu'ils offrent, grâce à la présence de dispositifs de stockage d'énergie et à leur forte décentralisation, conjuguée à une volonté publique, liée aux nécessités du développement durable, commence à faire infléchir cette tendance et rendre, à moyen et long termes, cette source d'énergie économiquement viables. Différentes méthodes MPPT ont été développées pour la recherche du point de fonctionnement optimal permettant de tirer le maximum d'énergie de la source PV quelles que soient les variations de l'ensoleillement et de la température et pour n'importe quel niveau de dégradation des modules PV. La méthode PO est une approche itérative qui perturbe le point de fonctionnement des modules PV, afin de trouver la direction de la poursuite du point de puissance maximale. Grâce à sa structure simple, cette méthode est largement répandue. La commande de puissance maximum est réalisée en forçant la dérivée de la puissance d'être égale à zéro et agir en conséquence sur le rapport cyclique du convertisseur. Ce processus est relativement lent. L'exécution de la méthode de PO peut être améliorée en augmentant la vitesse d'exécution et le point de puissance maximale peut être dépisté correctement dans des conditions atmosphériques dynamiques. Dans ce cas, la commutation rapide du convertisseur provoque une perturbation du fonctionnement du système due à l'ondulation de courant et de la tension. Pour réduire l'ondulation créée par la commutation du convertisseur à la sortie des modules PV, la plupart des systèmes de MPPT, indépendamment de la topologie du convertisseur de puissance, utilisent un grand condensateur en parallèle avec les modules PV. Cependant, le condensateur réduit la vitesse de la réponse du système de MPPT lors des variations des conditions atmosphériques. Les résultats d'optimisation du transfert d'énergie PV et éolienne permettent d'augmenter le rendement global des transferts d'énergie des sources primaires du système d'énergie renouvelable. Dans l'avenir on peut imaginer l'extension des résultats de ce travail vers des systèmes de puissance plus élevée qui sont connectés au réseau. La connexion au réseau public se pose en des termes différent (niveau de tension plus élevés,...) et repose le problème en terme de conception. Peut être, par une simple modification des onduleurs existants, en implémentant les fonctions nécessaires au système MPPT on pourra s'affranchir de l'électronique de puissance et de carte de commande dédiée. 6