Méthode de mise en œuvre spécifique de l'optimiseur de tension

La description qui suit présente divers exemples de réalisation afin d'expliquer clairement et complètement le principe de la présente invention. Ces exemples ne sont donnés qu'à titre indicatif et ne constituent pas une liste exhaustive des réalisations possibles. Toutefois, les schémas obtenus par des techniciens du domaine, même sans apport créatif, relèvent du champ d'application de la présente invention.

Dans un système d'alimentation à découpage, l'alimentation utilise généralement des semi-conducteurs de puissance comme éléments de commutation et ajuste la tension de sortie en commutant périodiquement l'interrupteur et en contrôlant le rapport cyclique des éléments de commutation. L'alimentation à découpage est principalement composée d'un circuit d'entrée, d'un circuit de conversion, d'un circuit de sortie et d'une unité de commande. La conversion de puissance, élément central de l'alimentation, est principalement constituée d'un circuit de commutation, auquel cas un transformateur peut également être utilisé. Afin de répondre aux exigences d'une densité de puissance élevée, le convertisseur doit fonctionner à haute fréquence et le transistor de commutation doit utiliser un cristal à vitesse de commutation élevée et à temps de conduction/désactivation court. Les thyristors de puissance, les transistors à effet de champ de puissance et les transistors bipolaires isolés sont des exemples typiques d'interrupteurs de puissance. Le mode de contrôle se divise en modulation de largeur d'impulsion (PWM), modulation mixte PWM/FML, modulation de fréquence d'impulsion (PFM), etc. La PWM est la plus couramment utilisée. Les alimentations à découpage (SMPS) se divisent en convertisseurs AC/AC (convertisseurs de fréquence et transformateurs) selon les différentes formes de tension d'entrée et de sortie ; en convertisseurs AC/DC (redresseurs) ; en convertisseurs DC/AC (onduleurs) ; et en convertisseurs DC/DC (convertisseurs de tension et convertisseurs de courant). L'alimentation à découpage utilisée dans cette application est principalement un convertisseur de tension DC/DC. Le bruit de commutation généré par le fonctionnement de l'alimentation à découpage peut provoquer des interférences électromagnétiques dans les équipements électroniques, y compris l'alimentation elle-même. Ce bruit de commutation désigne les composantes de bruit et certaines harmoniques produites par la fréquence de commutation de l'interrupteur de puissance de l'alimentation. En cas d'interférences électromagnétiques, le fonctionnement des périphériques électroniques du dispositif d'alimentation, notamment de l'alimentation à découpage, est perturbé. La méthode conventionnelle pour atténuer ces interférences consiste à moduler la fréquence de commutation. Cependant, cette modulation induit une ondulation de la tension de sortie, elle-même modulée en fonction de la fréquence de commutation. Cette ondulation se superpose à celle de la tension d'entrée, générant ainsi une ondulation de sortie plus importante.

Dans les systèmes d'alimentation à découpage, la présente application exploite pleinement les caractéristiques intrinsèques de l'alimentation, notamment le convertisseur CC-CC, considéré comme un optimiseur de puissance. Des inductances et des condensateurs sont ajoutés au circuit de conversion de tension, permettant de coupler la tension de sortie générée par la commutation à l'entrée ou à la sortie du circuit, puis de la transmettre à la ligne de transmission CC afin d'obtenir la tension totale. L'optimiseur de tension est un convertisseur de tension CC-CC abaisseur-élévateur, et sert également de dispositif de suivi du point de puissance maximale (MPPT) pour chaque composant de la batterie. Après avoir optimisé la puissance maximale de chaque composant, l'optimiseur la transmet à l'onduleur terminal pour conversion CC-CA, puis l'utilise pour un usage local ou pour la production d'électricité et le raccordement au réseau. L'onduleur terminal peut être un onduleur simple sans suivi du point de puissance maximale, ou un onduleur équipé d'un système de suivi secondaire du point de puissance maximale. Les optimiseurs de puissance les plus courants se divisent principalement en deux catégories : série et parallèle. Leur topologie diffère légèrement, par exemple en circuit abaisseur (BUCK), élévateur (BOOST) ou abaisseur-élévateur (BUCK-BOOST).

L'optimiseur de puissance série repose sur le principe de la tension fixe. En résumé, la carte de commande de l'onduleur détermine une tension de bus CC stable à partir de la tension aux bornes CA, calcule la puissance maximale collectée par chaque optimiseur connecté en série, puis calcule le courant du bus et le transmet à l'optimiseur par liaison sans fil ou par alimentation externe. La tension de sortie de chaque optimiseur est alors égale à la puissance maximale collectée par le composant divisé par le courant du bus. En cas de blocage du composant, l'optimiseur recalcule la valeur de puissance de sortie maximale à partir de la courbe volt-ampère et la transmet à la carte de commande de l'onduleur par liaison sans fil ou alimentation secteur. Sous réserve du maintien de la tension du bus CC

La tension restant inchangée, la carte de contrôle recalcule le courant du bus (qui diminue) et le réinjecte à chaque optimiseur. La puissance du composant bloqué est alors réduite, et l'optimiseur diminue également la tension afin de garantir que le courant de sortie soit conforme à la norme. Les optimiseurs des autres composants non bloqués augmentent la tension pour respecter la norme de courant de sortie. Si le blocage d'un composant est trop important, l'optimiseur de puissance le contourne jusqu'à ce qu'il retrouve un état de fonctionnement normal. Cette régulation correspond en réalité à un processus de complément de tension, assurant ainsi à l'onduleur une tension de bus CC optimale et stable.

L'optimiseur de puissance parallèle utilise également un mode de tension fixe. L'onduleur détermine la tension du bus en fonction de la boucle fermée CC/CA. Chaque optimiseur augmente la tension de sa propre borne de sortie à une valeur spécifiée. Le courant d'entrée de l'onduleur est alors égal à la somme des courants après division de la puissance maximale collectée par chaque optimiseur par la tension nominale. L'obstruction due à une épaisse couche de brouillard n'ayant que peu d'effet sur la tension des composants, mais affectant principalement le courant de sortie, les optimiseurs parallèles ne nécessitent généralement pas de corrections fréquentes des déséquilibres de tension. De plus, grâce à leur montage en parallèle, les courants de sortie sont indépendants, ce qui constitue un avantage certain des optimiseurs parallèles par rapport aux optimiseurs série. Par ailleurs, en cas d'obstruction importante d'un composant et d'impossibilité de démarrage du convertisseur élévateur, l'optimiseur se déconnecte automatiquement, émet un signal d'erreur et redémarre jusqu'à la résolution du problème. Cependant, comparée à la topologie série, la topologie parallèle présente les mêmes défauts que le micro-onduleur, notamment une plage de variation de tension plus étendue. Actuellement, la tension à vide des composants les plus courants est d'environ 38 volts, et leur tension de fonctionnement d'environ 30 volts. En conditions normales, la plage de variation de tension (élévation et abaissement) de la topologie série est comprise entre 10 % et 30 %, et peut atteindre 10 % à 90 % en cas de tension insuffisante. Cependant, la topologie parallèle et le micro-onduleur doivent tous deux élever la tension d'entrée des composants à une valeur relativement élevée, environ 400 V, soit une multiplication par dix. Ce cycle de fonctionnement est plus exigeant pour le dispositif d'élévation de tension, commandé uniquement par un interrupteur et sans transformateur.

L'une des principales caractéristiques topologiques de l'optimiseur de puissance est la séparation des fonctions des composants et de l'onduleur, contrairement aux systèmes photovoltaïques traditionnels. Bien que les composants semblent connectés à l'onduleur via l'optimiseur, ils servent en réalité uniquement à initialiser ce dernier. L'optimiseur collecte la puissance maximale des composants et les combine ensuite pour assurer la fonction d'onduleur. La technologie à tension fixe résout non seulement le problème d'ombrage partiel des systèmes photovoltaïques, mais permet également, dans le cas de systèmes multichaînes, d'adapter le nombre de composants par chaîne, voire leur orientation au sein d'une même chaîne. Pour un optimiseur série, la tension en circuit ouvert après déconnexion est extrêmement faible (1 V). Pour un optimiseur parallèle, cette tension est au maximum égale à la tension en circuit ouvert du composant, ce qui représente un progrès considérable en matière de sécurité et de fiabilité du système de production d'énergie.

Outre les avantages structurels de la topologie du circuit, l'optimiseur de puissance présente également des avantages intrinsèques au niveau de l'algorithme de suivi du point de puissance maximale (MPPT). L'algorithme MPPT traditionnel repose essentiellement sur deux méthodes : la méthode de la plus forte pente et la méthode de mesure logique. Les méthodes de suivi avancées utilisent également des approches combinées : par exemple, la méthode de la plus forte pente est associée à la méthode à plage constante, et la méthode de balayage complet avec un intervalle de temps fixe est utilisée pour trouver le point de puissance maximale ; on trouve également une combinaison de la méthode de polarité de la pente et de la méthode d'incrémentation de conductance, et la méthode de contrôle par paliers de détection est utilisée pour trouver le point de puissance maximale. Dans des conditions de test idéales, la précision de ces algorithmes peut atteindre plus de 99 %. En réalité, le principal défi actuel réside dans la gestion des pics multiples et des surtensions. L'expression « multi-pics » signifie que la courbe puissance-courant ou puissance-tension d'un générateur présente plusieurs pics de puissance. Plusieurs raisons peuvent expliquer ce phénomène. L'une d'elles est le blocage de certains composants, entraînant la déviation directe des diodes de dérivation. Dans ce cas, un tiers des cellules sont court-circuitées, ce qui réduit la tension de fonctionnement du groupe de cellules et provoque un déséquilibre de tension au sein du générateur, d'où l'apparition de ces pics multiples. Il est également possible que, du fait du blocage, les diodes de dérivation restent polarisées en inverse.

L'état de déviation n'est pas encore démarré, et un déséquilibre de courant se produit dans la même chaîne, générant de multiples pics. Ces pics multiples et les augmentations soudaines de luminosité ont un impact considérable sur de nombreux algorithmes de recherche du point de puissance maximale (MPPT). De par leur nature incontrôlable et variable, ils perturbent l'interprétation par le système de suivi de la direction de détection et de l'identification du pic correspondant au MPPT. En réalité, la cause profonde de ce problème réside dans le nombre excessif de composants connectés. Imaginons que chaque optimiseur ne soit connecté qu'à un seul composant, que chaque composant ne comporte que deux ou trois diodes de dérivation, et que les composants soient indépendants les uns des autres. Cela simplifie considérablement l'analyse et le suivi du MPPT, et la programmation logique du contrôleur devient également très simple et précise. Puisqu'il s'agit d'une simple courbe I-V de 38 volts et 8,9 ampères, le suivi du MPPT par l'optimiseur ne nécessite pas l'utilisation d'algorithmes traditionnels. Deux méthodes sont actuellement courantes : la méthode de suivi du point tangent et la méthode combinant le contrôle de résistance et le contrôle de tension avec un suivi secondaire. C'est grâce à cet avantage que l'optimiseur de puissance permet d'accroître la capacité de production de 30 % par rapport aux onduleurs traditionnels. De plus, contrairement à la puissance alternative limitée des micro-onduleurs, les optimiseurs de puissance peuvent transmettre intégralement la puissance collectée à l'onduleur.

L'optimiseur de puissance est compatible avec tous les panneaux en silicium cristallin et peut également être associé à certains systèmes de batteries à couches minces. L'industrie s'efforce d'étendre sa compatibilité. Cependant, la plupart des micro-onduleurs sont incompatibles ou présentent une mise à la terre fonctionnelle, ce qui les rend incompatibles avec certains composants courants du marché. Par ailleurs, la plage de tension d'entrée de l'optimiseur de puissance se situe approximativement entre 5 et 50 volts, ce qui garantit que même en cas de forte densité de composants, le circuit d'optimisation peut rester en état de démarrage et continuer à fonctionner. L'optimiseur de puissance peut être associé à un onduleur tiers et communiquer avec celui-ci pour réguler le système via un boîtier de commande externe. L'optimiseur de puissance, ou circuit de conversion de tension, est essentiellement un convertisseur CC-CC, tel qu'un convertisseur abaisseur (BUCK), élévateur (BOOST) ou abaisseur-élévateur (BUCK-BOOST). Il convient de souligner que toute solution de suivi du point de puissance maximale (MPPT) des cellules photovoltaïques connue est également applicable au circuit de conversion de tension de la présente demande. Les méthodes MPPT courantes incluent la méthode à tension constante, la méthode d'incrémentation de conductance, la méthode d'observation des perturbations, etc. La présente demande ne détaillera pas le fonctionnement du circuit de conversion de tension pour le suivi du point de puissance maximale.

Dans le domaine de la production d'énergie photovoltaïque, les modules ou cellules photovoltaïques (PV) constituent l'un des composants essentiels de la production d'énergie. Les panneaux solaires se divisent en plusieurs catégories, selon la technologie dominante : cellules solaires en silicium monocristallin, polycristallin, amorphe, etc. Le nombre de modules de batteries utilisés dans les grandes centrales photovoltaïques centralisées est considérable, tandis que celui des petites centrales domestiques distribuées est relativement faible. La durée de vie requise des cellules en silicium étant généralement supérieure à 20 ans, il est essentiel de surveiller la durabilité et le comportement à long terme des panneaux. De nombreux facteurs internes et externes peuvent réduire le rendement de production d'énergie des modules photovoltaïques, tels que les différences de fabrication ou d'installation entre les modules eux-mêmes, ou encore l'ombrage ou l'adaptation au suivi du point de puissance maximale. Prenons l'exemple de l'ombrage : si une partie des modules est masquée par les nuages, les bâtiments, l'ombre des arbres, la poussière ou d'autres éléments similaires, ces modules passent du statut de sources d'énergie à celui de charges et cessent de produire de l'électricité. La température locale des modules, aux endroits où l'effet de point chaud est important, peut être élevée, dépassant parfois 150 °C. Ceci peut entraîner la combustion de zones spécifiques des modules, la formation de points noirs, la fusion des soudures, le vieillissement des matériaux d'encapsulation, la fissuration du verre, la corrosion et d'autres dommages permanents, constituant ainsi un risque majeur pour la sécurité et la fiabilité à long terme des modules photovoltaïques. Le problème à résoudre dans les centrales/systèmes photovoltaïques est le suivant : pouvoir observer en temps réel l’état de fonctionnement de chaque panneau photovoltaïque installé et être alerté en cas d’anomalies telles que surchauffe, surtension, surintensité et court-circuit de la batterie. Il est essentiel de pouvoir prendre des mesures d’urgence, comme l’arrêt de sécurité actif, ou d’autres mesures en cas de défaillance des batteries. Qu’il s’agisse d’une centrale photovoltaïque centralisée ou d’un petit système distribué, ce problème est crucial.

Dans une centrale électrique, il est nécessaire d'identifier les composants présentant des problèmes potentiels à partir des données de fonctionnement des modules photovoltaïques.

Dans le domaine de la production d'énergie photovoltaïque, les modules ou cellules photovoltaïques sont connectés en série pour former un groupe de batteries. Ce groupe est ensuite connecté en parallèle à un équipement électrique tel qu'un boîtier de raccordement ou un onduleur. L'installation de ces modules ou batteries exige une sécurité absolue. En cas d'anomalie d'un module photovoltaïque (surchauffe, surtension ou surintensité), il est impératif de déclencher immédiatement son arrêt. Une fois le module revenu à la normale, il doit être reconnecté, toujours avec la même rigueur et la même sécurité. Par ailleurs, il est parfois nécessaire de mesurer la production d'énergie du module ou de surveiller sa puissance de sortie afin d'évaluer sa qualité. Par exemple, si la production d'énergie du module est considérablement réduite, il est probable qu'un incident de production d'énergie anormal se soit produit. Cet incident peut être dû à une obstruction par des déjections d'oiseaux, de la poussière, des bâtiments, l'ombre d'arbres, des nuages, etc. Dans ce cas, il est nécessaire de nettoyer le module, de modifier son orientation ou de prendre d'autres mesures. Les spécialistes du domaine savent que les cellules solaires en silicium monocristallin, polycristallin et amorphe sont toutes des matériaux dont les caractéristiques sont sujettes à l'atténuation. Il est donc essentiel de surveiller le degré d'atténuation du module, car il est crucial pour évaluer la qualité du module. Le problème est le suivant : il est difficile d'identifier les composants défectueux parmi un grand nombre de composants. La suite de cet article permettra de résoudre ce problème. Dans de nombreux cas, il est nécessaire d'identifier directement les cellules ou les composants de mauvaise qualité lors de l'installation et de ne jamais autoriser l'assemblage ou l'installation de cellules présentant des défauts de qualité dans le champ photovoltaïque. En effet, la présence de cellules défectueuses dans le champ photovoltaïque entraînerait une faible efficacité de production d'énergie de l'ensemble du champ. Le pire, c'est que la tension ou le courant anormal d'une ou plusieurs cellules défectueuses peut endommager l'ensemble de la batterie, entraînant des pertes plus importantes.