Simulation et Réalisation d`un étage MPPT Pour un - univ

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Quatrième Conférence Internationale sur le Génie Electrique CIGE’10, 03-04 Novembre 2010, Université de Bechar, Algérie
Simulation et Réalisation d’un étage MPPT
Pour un Système hybride PV- Diesel
Mhamed Rebhi 1, Boufeldja kadri2, Mabrouk Sellam1, Ali Benatillah3
1
Laboratoire des Energies en Zones Arides
Laboratoire des Télécommunications
3
Laboratoire des Energies et Environnements
2
U.Bechar
U. Tlemcen
U.Adrar
Corresponding Author : [email protected]
Résumé
Abstract
Le système hybride photovoltaïque- diesel est un
producteur de l’énergie électrique au profit d’un site à
caractère social, technique ou économique, ce système
permet de réduire les coûts d’investissement et
diminuer l’effet de la pollution grâce à le gestion
commutative entre le générateur photovoltaïque et le
groupe diesel, mais ce système nécessite un adaptateur
MPPT (Maximum Power Point Tracking) permettant le
transfert d’énergie permanent entre la source et la
charge. Notre travail est consacré à étudier les
conditions, les performances, et la gestion d’énergie
d’un survolteur (Boost) assisté par une commande
numérique vers une charge résistive selon une
simulation et réalisation dans le laboratoire
électronique de l’université de Bechar.
Mots clés : Photovoltaïque, convertisseur statique,
commande MPPT, énergie hybride,
The photovoltaic-diesel hybrid system is a producer of
the electrical energy to the profit of a site such as
social, technical or economic, this system permits to
reduce the costs of investment and to decrease the
effect of the pollution thanks to the commutative
control between the photovoltaic generator and the
diesel engine, but this system requires an adapter
MPPT (Maximum Power Point Tracking) allowing the
permanent transfer of energy between the source and
the load. Our work is dedicated to study the conditions,
the performances, and the management of an elevator
(Boost) assisted by a digital control toward a resistive
load according to a simulation and realization in the
electronic laboratory of the University of Bechar.
Keys words: photovoltaic, static converter, MPPT
control, hybrid power
1. Introduction
important entre la puissance potentielle par rapport à la
puissance transférée en consommation
[3]. Afin d’extraire une puissance optimale à tout
instant, un étage d’adaptation doit être introduit, jouant
un rôle d’interface entre les deux éléments, ce
quadripôle est un convertisseur DC-DC contrôlé par
une commande MPPT (Maximum Power Point
Tracking ) [4].
Dans notre projet, nous analysons la conception, la
simulation du fonctionnement et la réalisation d’un
système photovoltaïque (PV) adapté par une commande
numérique assurant la poursuite de la puissance
maximale fournie [5].
Ce convertisseur statique peut être exploité dans un
système hybride photovoltaïque–diesel en couplage
avec le générateur PV selon une configuration
appropriée, pour établir un bus continu au profil de
consommation.
L’énergie solaire devient actuellement une technologie
alternative de l’énergie pétrolière devant les
fluctuations économiques, les changements climatiques
et la demande progressive de l’énergie dans la vie
sociale, mais le problème major de cette nouvelle
technologie est sa déficience en rendement de
conversion (30%) et la faible compétitivité dans le
marché à cause du coût élevé d’un kilowatt heure [1].
Durant les dernières années, les applications de
l’énergie photovoltaïque se développaient largement
sous modèle autonome, hybride ou connectée au réseau
dans plusieurs sites à caractère social, technique et
économique [2].
Le
générateur
photovoltaïque
présente
une
caractéristique non linéaire en terme de la puissance
produite en fonction de l’éclairement et la température,
dans ce cas, la connexion directe entre la source et la
charge indique un écart très
2. Description du système d’adaptation MPPT
Le système d’adaptation désigné dans la figure
(1) est une chaîne de conversion générant une tension
72
Journal of Scientific Research N° 0 vol. 2 (2010)
continue à partir d’un panneau photovoltaïque vers une
charge DC à travers un convertisseur DC-DC contrôlé
par une commande MPPT, le choix et le
dimensionnement
du
ce
système
se
basent principalement sur le profil de consommation (la
charge) et Le flux d’éclairement disponible au site.
séquentielle suivant l’état de l’interrupteur (fermé ou
ouvert).
Les équations d’états régissant le bon fonctionnement
du Boos sont [6]:
1) Interrupteur k fermé :
dVC1
1

[I e  I L ]
dt
C1
dI L Ve

dt
L
dVC 2  I S

dt
C2
2) Interrupteur K ouvert :
dVC1
1
.[ I e  I L ]
dt
C1
dI L
1
 .[Ve  V S ]
dt
L
Fig.1 : Système de régulation à commande MPPT
Le principe consiste à capturer les paramètres
électriques (courant et tension) par la commande MPPT
qui délivre un rapport cyclique excitant un interrupteur
électronique pour maintenir le point de puissance
maximale de la caractéristique électrique du panneau
(GPV) à tout instant.
2.1. Le convertisseur BOOST
dVC 2


dt
dVC1
Prenons X 1 
dt
1
.[ I L  I S ]
C2
.
.
X3 
dVC3
.
X2 
,
dt
dI L
dt
,
VC2  VS
Le système d’équations d’état continu
fonctionnement est représenté sous la forme :
en
Le convertisseur Boost est constitué par un nombre des
composants électroniques fonctionnant d’une manière
.


1
1
X1 
* X2 
* Ie

C1
C1
 .
(1)
D 1
1

* X3 
* Ve
X 2 
L
L

.
1 D
1

* X2 
* X3
X 3  C
R
*
C2
2


Pour l’application de Boost :
Ie  I
PV
,V  V
e
PV
Fig.2 : Le convertisseur statique Boost
2.2. La Commande MPPT par l’algorithme de
perturbation et observation
73
Sachant que la caractéristique du générateur
photovoltaïque est non linéaire où la puissance maximale
se change d’un point à l’autre en fonction de l’éclairement
et la température, la recherche permanente du point de
puissance maximale X par la méthode de perturbation et
observation se base sur le coude de la courbe P-V de la
figure (3), si la dérivée dP au point X1 est positive, on
dV
augmente le rapport cyclique α pour aboutir le point
maximal X, si la dérivée dP au point X2 est négative,
dV
on diminue le rapport α pour revenir au point X.[7]
La conception et la modélisation dans l’environnement
Matlab-Simulink d’un système PV dont le fonctionnement
set régulé par une commande numérique pour déterminer
les performances du système complet .
L’équation caractéristique du panneau photovoltaïque se
modélise par [9] :

 V  VCO  Rs * I M
I M  I CC 1  exp

N S * VT




  (4)



Tel que :
IM : le courant débité par le panneau.
ICC : le photocourant du panneau avec ICC =NP*ICel.
V : tension générée par le panneau.
VCO : tension du circuit ouvert avec :
VCO  N S *VCOC
(5)
(6)
RS : résistance équivalent du panneau avec
RS 
NS
.RSC
Np
(7)
VT : tension thermique du semi-conducteur avec
VT 
Figure 3 : Principe du contrôleur MPPT.
m * k *T
e
(8)
La représentation du système global expose le procédé de
connexion entre les éléments
Les grandeurs électriques de sortie (courant et tension)
sont liées à celles d’entrée en fonction du rapport cyclique
par les relations [8]:
VPV
(2)
VS 
1
I S  (1   ).I PV
(3)
Le rapport cyclique α est obligatoirement inférieur à 1
L’organigramme de la figure (4) représente l’algorithme
de poursuite du point de puissance maximale développée.
Fig.5 : Implantation du système MPPT dans Matlabsimulink.
Les représentations graphiques des paramètres électriques
peuvent être illustrées comme suivant :
Fig.4 : L’organigramme de MPPT
3. Simulation dans l’environnement Matlab-Simulink
74
Fig 6 : Caractéristiques du panneau photovoltaïque
dans les Conditions standard.
4. Réalisation du système MPPT à base du PIC16F877
Fig 7 Convertisseur Boost et Commande MPPT réalisés
En premier lieu, la réalisation du système est basée
sur le dimensionnement et les caractéristiques techniques
des éléments disponibles en laboratoire de l’université de
Bechar, suivant les critères :
-
Le choix du profil de consommation (la charge
résistive variable de 1 kΩ / 250w).
Le flux d’éclairement au site de 500 w /m2 à
1200 w /m2 dans le site.
Le type du convertisseur.
Le nombre des panneaux photovoltaïque satisfait.
Le panneau PWX500 est un module de 36 cellules
photovoltaïques mises en série sur une superficie totale de
3672.72 cm2, pour une puissance de 50 w sous les
conditions standard de test.
Le convertisseur Boost est réalisé par les éléments
(inductance L, capacité CE, et CS, diode de roue libre, et un
transistor MOSFET) dimensionnés suivant le cahier de
charge.
La commande MPPT est à base du microcontrôleur
PIC16F877 alimenté par une tension de 5 V à travers le
circuit de protection , le microcontrôleur génère un signal
carré α à partir de la dérivée de puissance obtenue en
calculant huit (8) opérations de mesure du courant et de
tension à travers deux capteurs ( IPV, VPV ) , le signal
carré introduit dans un intégrateur RC pour donner un
signal triangulaire , un comparateur LM311 permet de
comparer le signal intégré avec une tension triangulaire
de référence 250 KHZ fournit par le circuit NE555 , un
autre circuit LM311 aboutit un rapport cyclique D ( Signal
de la modulation de largeur d’impulsion << Pulse Width
modulation PWM >> qui excite périodiquement le
transistor MOSFET du convertisseur en alimentant la
charge de consommation [10].
Fig 8 : Schéma électronique du système
75
5. Résultats et Discussions
-
Plusieurs essais on été élaborés en régime établi afin
d’acquérir les grandeurs électriques (tension, courant,
puissance) sur un oscilloscope numérique relié à un PC,
La diminution de la pollution dégagée grâce à la
commutation contrôlée entre le groupe
électrogène et le champ photovoltaïque.
6. Conclusion
La figure 9 montre l’allure du signal MLI (modulation de
la largeur d’impulsion) très faible généré du
microcontrôleur dont la fréquence est de l’ordre 1 KHZ,
ce signal est comparé avec un signal triangulaire de
fréquence 250KHZ généré par le circuit NE555 dont la
forme est représentée à la figure 9
Un autre comparateur LM311 permet d’aboutir un rapport
cyclique (figure 11) excitant l’interrupteur MOSFET du
convertisseur Boost
Dans ce travail, nous venons de simuler et réaliser une
commande d’adaptation MPPT à base de
microcontrôleur pour arriver aux résultats suivants :
-
le survolteur est capable d’assurer la puissance
nécessaire à la charge de consommation.
-
La méthode de perturbation et observation est
une technique simple à exploiter dans la
programmation des microcontrôleurs, permettant
la recherche du point de puissance maximale
indépendamment des conditions climatiques.
-
Les résultats présentés montrent que l’utilisation
de la commande MPPT permet d’améliorer le
rendement de l’installation PV.
Aux bornes de la charge, on obtient un signal continu
associé par des petites ondulations dues à la fluctuation
de la recherche du point de puissance maximale (Figure
12)
En plus premier lien, le rayonnement incident est très
important de l’ordre 650 w /m2, dans la figure 12, la
tension sortant du convertisseur Boost atteind 22 v alors
que la tension aux bornes du panneau est de l’ordre 15 v,
de même dans la figure 14 la tension de Boost est de
21.8 v et celle du panneau est de 18 v, on observe aussi
que toute variation dans la tension du générateur influe la
tension du survolteur , on obtient un rendement de
conversion environ 90 %.
Dans un essai différent, nous avons simulé une variation
de puissance comme un passage d’un nuage en aveuglant
une partie se surface du panneau, cette simulation est
illustrée dans les figures 15 et 16 où on a eu un
abaissement de tension aux bornes du panneau suivi en
même temps par une diminution de la tension du
convertisseur.
Si on fait une perturbation périodique sur le panneau,
l’influence de ce phénomène s’apparaît comme des
ondulations synchronisées représentées dans la figure 17.
Aux conditions optimales le rendement du système se
converge vers une valeur très élevée.
Figure 9 : Signal PWM sortie du PIC
Pour implanter l’étage MPPT dans un système hybride
photovoltaïque –diesel y compris plusieurs panneaux
photovoltaïques, il s’agit de faire une configuration, qui se
caractérise par un étage MPPT pour chaque générateur PV
pour élever la puissance de sortie, cette configuration
donne une rentabilité efficace comme :
-
Une puissance équivalente optimale d’une
somme de puissances de sortie maximales.
-
D’assurer une continuité de production optimale
indépendante de la charge de consommation.
Fig 11 Signal PWM sortant du LM311
76
Fig12: Ondulations associées avec le signal de sortie
Fig 13: signal du panneau et le signal de sortie
Fig 14: La corrélation entre les signaux
Figure 10 : Signal triangulaire de sortie NE555
Fig15 : Influence d’un nuage court sur les signaux.
77
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Analysis for monitoring Optimization And Control),
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Energies Renouvelables vol 11 N°4 - 2008.
[5]
K.kassimi, M.Hamadou, F.Olivié (Conception et modélisation d’un
système photovoltaïque adapté par une commande MPPT
analogique) Revue Energies Renouvelables vol .10 N°04 ,2007
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Jui-Liang,Ding-Tsair Su, Ying-Shing Shiao (Research on MPPT and
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T.Mrabti, M.Elouariachi, B.Tidhaf, El Chadli et k.kassmi
(conception , simulation et réalisation d’un système photovoltaïque
destiné au stockage d’énergie dans les batteries stationnaires (2V))
Revue des Energies Renouvelables Vol.13 N°1 ,2010
Fig16 : Influence d’un nuage étendue sur les signaux.
Fig. 17 : Simulation d’une perturbation périodique
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