Régulateur MPPT

Introduction

La puissance fournie par un panneau solaire dépend essentiellement de l’éclairement journalier, mais aussi d’autres paramètres tels que la température du milieu ambiant et de la tension de sortie du panneau. En vue d’améliorer son efficacité et son rendement, on a souvent recours aux régulateurs MPPT, qui ont pour vocation de commander le panneau solaire à fonctionner avec la tension la plus optimale afin de maximiser sa production d’énergie. Cette tension, dépend à la fois des conditions de température et d’ensoleillement. Un régulateur MPPT bien conçu peut augmenter le rendement d’une installation photovoltaïque de 20 à 30% (en fonction des conditions météorologiques). De divers méthodes et algorithmes ont été développés afin de trouver le point de puissance maximal des panneaux solaires, ces méthodes diffèrent entre eux dans plusieurs aspects tels que le nombre de capteurs utilisés, le temps de réponse, la stabilité du système, complexité de l’algorithme et le coût du régulateur.
Dans une installation photovoltaïque le convertisseur DC-DC permet d’optimiser le transfert d’énergie du générateur PV vers la charge. Ceci est fait via la commande de l’interrupteur en utilisant un algorithme MPPT (Maximum PowerPoint Tracking) qui recherche le point de puissance maximale et fait fonctionner le système en ce point. En effet pour que les panneaux solaires puissent fonctionner à leur point maximum, la solution communément utilisée est d’introduire un convertisseur DC/DC qui joue le rôle d’adaptateur source charge. Cependant, il est nécessaire d’optimiser les convertisseurs (continu/continu) DC/DC à l’aide d’un contrôleur MPPT afin d’extraire le maximum de puissance et par voie de conséquence, obtenir un courant électrique maximum sous la variation de la charge et des conditions atmosphériques (luminosité et température).
Les commandes MPPT employées dans les systèmes de régulation, utilisent certains algorithmes afin de varier le point de fonctionnement du GPV le long de la caractéristique P(V) jusqu’à atteindre le MPP. Parmi ces algorithmes, nous pouvons distinguer les méthodes basées sur la perturbation et l’observation P&O (Perturb & Observe), ainsi que celle qui fait appel aux méthodes de l’incrémentation de la conductance. Ce sont les deux méthodes les plus utilisées dans ce type d’applications.
Le système considéré est représenté à la figure ci-dessous illustrant le principe d’implémentation d’un régulateur MPPT dans une installation photovoltaïque. Notre installation dispose de douze panneaux photovoltaïque et trois convertisseurs Boost et un onduleur alimentant une pompe solaire, chaque quatre panneaux PV alimentent un convertisseur DC-DC de type Boost, le régulateur MPPT permet de varier en permanence le rapport cyclique de la commande PWM envoyée au convertisseur Boost jusqu’à ce que le système se stabilise dans son point de fonctionnement optimal.

TECHNIQUES DE LA RÉGULATION MPPT

Dans la littérature il existe plusieurs techniques permettant la recherche du point de puissance maximale d’une installation photovoltaïque. Par ailleurs parmi les méthodes les plus utilisées dans le monde industriel on peut citer en titre d’exemple :
→ Algorithme de la Tension Constante (CV, Constant Voltage)
→ Algorithme du Courant constant (Constant Current)
→ Perturbe et Observe (P&O, Perturb and Observe)
→ Conductance Incrémentale (IncCond, Incremental Conductance)
Les algorithmes P&O et IncCond font partie de la technique appelée Hill Climbing (monté de pente).

Algorithme de la Tension Constante (CV, Constant Voltage)

Plusieurs études ont montré que le rapport entre la tension optimale et celle en circuit ouvert est approximativement constant, cela est la base de l’algorithme a tension constante qui peut se traduire par :

L’algorithme CV-MPPT est simple pour le mettre en oeuvre, on isole le panneau solaire temporairement pour mesurer Voc et le MPPT corrige le point de fonctionnement en utilisant l’équation ci-dessus.

Algorithme du Courant constant (Constant Current)

D’une façon similaire au algorithme précèdent, Cet algorithme permet d’obtenir un rapport constant du courant de MPP sur le courant de court-circuit.

Pour mettre en application cet algorithme on utilise un commutateur qui est relié aux bornes de l’entrée du convertisseur, quand ce commutateur est activé on mesure le courant de court-circuit et on calcule le courant optimal et la MPPT corrige le point de fonctionnement en utilisant l’équation ci-dessus.
Cet algorithme est rarement utilisé, d’une part parce que les autres méthodes sont plus performantes et présentent moins de risque, et d’autre part, il est plus simple de mesurer des tensions et mettre des modules photovoltaïques en circuit ouvert, que de mettre un module photovoltaïque en court-circuit.

Méthode de perturbation & observation

Le principe de cette commande est de générer des perturbations en réduisant ou en augmentant le rapport cyclique α du convertisseur DC-DC et d’observer l’effet sur la puissance délivrée par le GPV. Le principe de cette méthode est illustré dans la figure suivante :

ÉTUDE ET SIMULATION DU SYSTÈME PHOTOVOLTAÏQUE

Simulation du Groupe PV

Le but de cette partie est de simuler la puissance d’énergie produite par le générateur photovoltaïque, composé de douze panneaux photovoltaïques, chacun à une puissance crête de 250W. La simulation a été établie en se basant sur les données météorologiques du 17 décembre 2016, vu que c’est le mois le plus défavorable de l’année, les données utilisées commencent du 7h00 jusqu’à 17h.00, ce qui représente une durée de 10h.
À la sortie du GPV on a mis une charge résistive de valeur R= 100ohm, cette charge va permettre d’extraire une puissance de 1.7kw à la sortie du GPV dans les conditions optimales (tension aux bornes de chaque module PV égale à Vmp = 31V)
Champ

Chaque champ PV est constitué de deux string en parallèle et chaque string est composé de deux module PV de 250Wc.

On remarque que la tension aux bornes du GPV varie considérablement durant

Simulation du système GPV + BOOST sans régulateur MPPT

La structure de l’installation PV reste inchangée, cependant un convertisseur Boost a été ajouté à la sortie de chaque champ PV, les convertisseurs Boost permettent d’avoir une tension à leurs sorties égale à 1.92 fois de leurs tensions d’entrée, avec une commande PWM de fréquence 80KHz et de rapport cyclique égale à 52.23%. Les convertisseurs Boost ont été mis en série avec une charge résistive de valeur R=100ohms.
Pour cette simulation, on a fixé des irradiations et des températures qui varient avec le temps afin de simuler au mieux les conditions météorologiques journalières du lieu de l’installation. Les signaux utilisés dans la simulation sont :

Les figures ci-dessous, illustrent la simulation du système décrit, ainsi que les résultats obtenus à l’issus de cette simulation : graphe de puissance, courant consommés par la charge et la tension à ses bornes.

On en déduit :
– Le courant consommé par la charge varie de Is = 4.28A à Is= 4.37 A
– La tension aux bornes de la charge varie de Vs= 427V à Vs= 488V
– La puissance consommée par la charge varie de P = 1973W à P= 2028W