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1 Matière : Techniques d’optimisation et de contrôle de puissance 1. Généralité

1 Matière : Techniques d’optimisation et de contrôle de puissance 1. Généralités : L’optimisation est la minimisation (ou maximisation) d’une fonction objective, cette fonction comporte des paramètres et est généralement soumise à des contraintes. Euler : "Il n'y a rien dans le monde qui ne se réalise sans la volonté de minimiser ou maximiser quelque chose." Domaines d'application :  Economie/Finances  Biologie  Transport  Organisation/Logistique  Robotique/Intelligence artificielle  Ingénierie 2. Exemples de quelques problèmes : - Problème de revenu Un agriculteur possède un certain nombre d'hectares, d'engrais et d'insecticide  Possibilité de planter du maïs ou du blé.  Les cultures requièrent des quantités différentes d'engrais et d'insecticide.  Les cultures fournissent un revenu différent.  Objectif : maximiser le revenu net. - Problème : flux de transport Une coopérative laitière effectue quotidiennement le ramassage de lait dans différentes fermes  Objectif : effectuer la tournée la plus courte. 2 - Problème : couverture de charge Courbe de charge (compagnie aérienne, supermarché, péages, . . .)  Objectif : Assurer la couverture avec un minimum de personnel. - Problèmes : rangement On dispose de containers et d'éléments de tailles différentes à ranger dans ces containers (pour envoi).  Objectif : trouver un arrangement pour minimiser le nombre de containers. Chapitre I : Commande de la puissance générée via les techniques MPPT. Par définition, une commande MPPT, associée à un étage intermédiaire d’adaptation, permet de faire fonctionner un générateur photovoltaïque (PV), de façon à produire en permanence le maximum de sa puissance. Ainsi, quelles que soient les conditions météorologiques (température et irradiation) et quelle que soit la tension de la charge (charge résistive ou batterie), la commande du convertisseur place le système au point de fonctionnement maximum (Vopt, Iopt). I.1. Point de puissance maximale L’installation la plus simple que l’on puisse concevoir se compose d’un champ photovoltaïque, formé d’un ou plusieurs modules connectés en série ou en parallèle, et une charge (charge résistive ou batterie) qui utilise directement l’énergie produite, figure.1. Cette installation ne fournit un effet utile que pendant les périodes ensoleillées et pour des températures bien définies. Le courant fourni à la charge dépend fortement de l’intensité de l’éclairement pour une température donnée et de la nature de la charge. 3 Fig.1: Installation photovoltaïque au fil du soleil. Pour un éclairement et température donnés, nous avons les caractéristiques I-V et P-V du générateur photovoltaïque connecté à la charge résistive Rch. Il apparaît que : Le générateur PV fonctionne à sa puissance maximale (Pmax) lorsque : Pour un éclairement donné, la condition optimale de fonctionnement des générateurs photovoltaïques est alors caractérisée par une tension Vopt et un courant Iopt. Le produit Vopt par Iopt constitue ainsi le maximum de puissance qu’on peut extraire du module photovoltaïque. Ce point est appelé point de puissance maximale (PPM) du module photovoltaïque pour une température et un éclairement donné. Il est caractérisé par une résistance interne optimale Ropt du générateur photovoltaïque.  Les points P1, P2 et PPM, figure.2 sont les points de fonctionnement du système figure.1 dans les conditions suivantes : Rch< Ropt, Rch = Ropt, Rch > Ropt.  Lorsque la valeur de la charge est supérieure ou inférieure à celle correspondant aux conditions optimales (Ropt) la puissance fournie par le générateur est inférieure à celle optimale (Pmax). Donc, dans le cas d’une charge purement résistive, le point PPM correspond à une résistance optimale Ropt qu’il faut connecter au module, pour un éclairement bien déterminé. 4 Fig.2: Caractéristique du système PV pour les trois cas Rch< Ropt, Rch = Ropt, Rch > Ropt I.2. Fonctionnement d’un générateur PV à sa puissance maximale Pour obtenir la puissance maximum à la sortie, le module PV devrait être actionné au point de puissance maximum à toute heure. Un contrôleur capable de suivre le point de puissance maximum doit donc être mis en application. L'endroit du PPM dans le plan I-V n'est pas connu à l'avance et change toujours dynamiquement selon l'éclairement et la température. Par exemple, la figure.3 montre un ensemble de caractéristiques photovoltaïques I-V et P-V en fonction de l’augmentation de la température à un éclairement constant (1000W/m2), et la figure.4 montre les courbes I-V et P-V en fonction de l’éclairement à la température ambiante (25°C). On observe des décalages dans la position du PPM. Par conséquent, le PPM doit être localisé par algorithme de poursuite, ce qui représente la philosophie du contrôleur de MPPT. Il existe plusieurs techniques de poursuite du PPM. Toutes ces méthodes exigent l’apport d’un algorithme dans l’incrémentation de la tension pour la recherche de l'endroit du point de fonctionnement en position optimale. On peut voir sur les figures 3 et 4, ci-dessous, l’allure générale des caractéristiques de la puissance et du courant en fonction de la tension pour différents éclairements et pour différentes températures. 5 Sur chaque courbe, le point noir représente le point de puissance maximale que peut fournir le panneau photovoltaïque. On voit bien que pour un éclairement et une température donnée, il existe une valeur de la tension qui maximise la puissance produite par le générateur. Fig.3: PPM à température croissante et éclairement constant (1000W/m2). Fig.4: PPM à éclairement croissant et température constante (25 °C). I.3. Types de régulateurs pour alimentations Dans la littérature il existe différents types de régulateurs de conversions d’énergie électriques appelés convertisseurs : BUCK, BOOST, BUCK-BOOST, FLYBACK, etc. Nous allons représenter ici les principales caractéristiques de quelques types de régulateurs. I.3.1. Convertisseur BUCK Le convertisseur de type Buck, sous sa forme de base, est montré sur la figure 5. Les composantes clés sont l'inductance, L, l’interrupteur (switch), K, la diode D et la capacité C. 6 On peut voir sur le timing la largeur du temps ON et OFF en fonction du rapport cyclique α (DUTY cycle). Fig.5: Circuit de base du convertisseur Buck. I.3.2. Convertisseur BOOST Le convertisseur de type BUCK est un dévolteur, il réduit la tension. Cependant, une topologie de circuit qui augmente la tension est le convertisseur de type BOOST comme montré sur la figure.6. Le convertisseur BOOST dans la conduction continue dessine une source de courant continu, mais le courant de charge sera discontinu. Cette source de courant continu peut être avantageux pour des applications photovoltaïques, car il réduit le filtrage exigé entre le module photovoltaïque et le convertisseur. Le convertisseur peut aussi fonctionner en mode discontinu quand la tension de charge dépend dans les deux cas du rapport cyclique. Avec le convertisseur BOOST (ou BUCK-BOOST), la tension peut monter à une valeur très élevée s'il n'y a aucun courant de charge. Fig.6: Circuit de base du convertisseur de type boost. 7 I.3.3. Convertisseur BUCK-BOOST La troisième topologie de base est montrée sur la figure.7, c’est le convertisseur BUCKBOOST. Ce convertisseur est utilisé quand on a besoin d’augmenter et de diminuer la tension. Quand l’interrupteur K est fermé, on charge toujours la self et lorsque cet interrupteur s’ouvre, la tension à travers l'inducteur est renversée et la self tire le courant à travers la diode D. Fig.7: Circuit de base du convertisseur BUCK-BOOST. I.3.4. Adaptation du générateur photovoltaïque au système global Le raccordement d’un générateur photovoltaïque à une charge quelconque nécessite l’adaptation de ce générateur PV pour qu’il fonctionne, à une température et un éclairement donné, à sa puissance maximale et par conséquent à un rendement élevé. Ceci est réalisé en intercalant entre le générateur PV et la charge un quadripôle d’adaptation qui est un convertisseur d’énergie DC-DC (hacheur) pour des applications en régime continu. L’adaptation a lieu en variant le rapport cyclique de la commande de l’interrupteur du convertisseur. Fig.8: Système photovoltaïque avec contrôleur de commande MPPT. 8 I.4. Différents types de MPPT Plusieurs algorithmes pour la poursuite du point de puissance maximum (Maximum Power Point Tracking) ont été proposés par les chercheurs et différentes méthodes et stratégies de tracking existent dans la littérature. Les algorithmes de recherche les plus couramment utilisées sont :  Perturber et observer (P&O : Perturb-and-Observe)  Tension constante (CV : Constant Voltage)  Accroissement de la conductibilité (INC : INcremental Conductance)  Capacité parasite (PC : Parasitic Capacitance) 9 Chapitre II : Les techniques MPPT dans les systèmes PV II.1. Méthode de perturbation et d'observation (P&O) La méthode P&O est une approche largement répandue dans les MPPT parce qu'elle est simple et exige seulement la mesure de VPV et IPV. Cette méthode peut dépister le point de puissance maximum tout à fait exactement malgré les variations d'éclairement et de température. Comme son nom l’indique, la méthode P&O utilise la perturbation de la tension VPV et l’observation de la conséquence de cette perturbation sur la puissance de sortie du module photovoltaïque La figure.9 est un organigramme de l'algorithme P&O. 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) calculée au cycle précédent. Si la puissance obtenue a augmenté, VPV est ajusté plus loin dans la même direction que dans le cycle précédent. Si la puissance obtenue a diminué, VPV est ajustée dans la direction opposée uploads/Management/ cours-techniques-d-x27-optimisations.pdf