III-1 Introduction :

Les méthodes d'optimisation du (MPPT) III-1 Introduction :
La puissance électrique produite par un panneau photovoltaïque dépend
fortement de l'ensoleillement et à un degré moins important de la
température des cellules. Ces deux variables influençant sur le
comportement du système et présentent des fluctuations quotidiennes et
saisonnières. Pour ces raisons, le panneau photovoltaïque ne peut fournir
une puissance maximale que pour une tension particulière et un courant bien
déterminé ; ce fonctionnement à puissance maximale dépend de la charge à
ses bornes. A cet effet et en fonction du type de cette charge, un
dispositif de contrôle devra être intégré dans le circuit de commande du
convertisseur. Ce dernier doit être capable de faire fonctionner le panneau
photovoltaïque à sa puissance maximale. La méthode de suivi ou "Tracking"
connue sous le nom MPPT (Maximum Power Point Tracking) est basée sur
l'utilisation d'un algorithme de recherche du maximum de la courbe de
puissance du panneau photovoltaïque. Contrairement au contrôle à tension
fixe, le tracking n'est pas basé sur une valeur de référence prédéterminée
mais il s'agit d'une recherche de la valeur de référence pour atteindre le
maximum de la puissance sur la caractéristique courant-tension. A noter que
le tracking joue un rôle très important parce qu'il maximise le rendement
et réduit au maximum le coût [19].
III-2 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 [20]. III-2-1 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 (III-1) :
[pic]
Figure III-1 Exemples d'association sécurisée de deux modules PV
commerciaux en parallèles avec leurs diodes de
protections.
- 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 (III-2) [20], par la perte
d'une partie de la production d'énergie et par la présence de deux
maximums de puissance.
[pic]
Figure III-2 Effet de la diode by-pass sur la caractéristique I(V)
d'un générateur photovoltaïque [21].
III-2-2 Connexion directe entre la source et la charge :
Dans le cas d'une connexion directe qui est finalement aujourd'hui
l'utilisation terrestre la plus répandue de l'énergie solaire, le point de
fonctionnement du GPV dépend de l'impédance de la charge à laquelle il est
connecté.
Actuellement, ce type d'application peut se résumer à un champ
photovoltaïque ayant une tension VOPT fixée par la tension nominale de
l'application. Ce choix est principalement lié à la simplicité, la
fiabilité et le faible coût de l'opération figure (III-3). La présence de
la diode anti-retour est indispensable pour empêcher la circulation d'un
courant négatif vers le module PV.
[pic]
Figure III-3 Principe d'une connexion directe entre un GPV et une charge.
Cependant, cette configuration n'offre aucun type de limitation et/ou
de réglage de la tension de la charge. Ce qui la restreint à des
applications nécessitant une tension fixe ou faiblement variable. Par
exemple, le cas de batteries de stockage dans les systèmes isolés.
Cependant, un examen plus approfondi de ces applications montre que
même dans ce cas, le transfert d'énergie électrique disponible aux bornes
du GPV vers la charge dépend fortement de l'état de la batterie ayant une
tension à ses bornes variant d'un pourcentage non négligeable. Plus
généralement, la puissance extraite d'un GPV connectée directement à une
application est souvent très éloignée du maximum de puissance que peut
délivrer le GPV, comme l'illustre la figure (III-4).
[pic]
Figure III-4 Points de fonctionnement d'un GPV en connexion directe, en
fonction de la charge.
Comme le schématise la figure 2.8, un GPV peut être connecté directement à
trois types de charges :
- une charge de type source de tension continue,
- une charge de type source de courant continue,
- une charge purement résistive.
Trois points de fonctionnement A, B, C respectifs peuvent être identifiés
fournissant une puissance PA, PB et PC. Ces cas de figures montrent que le
GPV est mal exploité et ne fournit pas la puissance maximale potentielle,
la différence étant perdue sous forme de chaleur dissipée dans le
générateur.
D'autre part, certains types de charges ont besoin de tensions et
courants alternatifs. La connexion directe n'est alors pas possible car le
GPV fournit un courant continu.
A travers ces exemples, on peut montrer rapidement les limites de la
connexion directe autant sur les pertes de production qu'elle entraîne que
sur les limites des applications compatibles (DC). Des recherches sur des
solutions novatrices optimisant mieux la production d'énergie PV sont
d'actualité et même nécessaires pour amener l'énergie PV à un degré de
fiabilité comparable à une source d'énergie traditionnelle [22]. III-2-3 L'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 (III-5), 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).
[pic]
Figure III-5 Connexion d'un GPV à une charge à travers un étage
d'adaptation.
Il est à remarquer que l'étage d'adaptation ne remplace pas forcément
les protections électriques évoquées dans la section (III-2-1), 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 a