Brevet FR2485827A1 — publié le 19811231

La présente invention a pour objet un procédé et un système pour la production d'énergie électrique à par- tir d'un ensemble de cellules photovoltaïques. On sait que l'énergie électrique d'origine photovol- talque est actuellement très coûteuse. Il est donc très important de faire en sorte qu'un système de production de puissance photovoltaïque fonctionne, à chaque instant, à son maximum de puissance. On sait par ailleurs que la puissance fournie par un ensemble de cellules photovoltaïques dépend, entre autres choses, de l'ensoleillement et de l'orientation dudit ensemble. En supposant que l'orientation, par rap- port aux rayons solaires, est réglée au mieux, il existe donc, pour chaque valeur d'ensoleillement, une puissance maximale susceptible d'être obtenue. Pour une valeur donnée de l'ensoleillement, la puissance fournie par un ensemble de cellules photovoltaïques présente, dans un système d'axes courant-tension, la forme approximative d'une branche d'hyperbole, telle que la tension est d'autant plus grande que le courant est faible et réci- proquement. Aussi, pour régler le point de fonctionne- ment d'un ensemble de cellules photovoltaïques à son maximum de puissance, on pourrait songer à mesurer en permanence l'ensoleillement actuel, puis, à utiliser les courbes caractéristiques de cet ensemble pour tenter d'approcher au mieux le maximum de puissance théorique susceptible d'être obtenue. Pour cela, il suf- firait de prévoir une cellule photovoltaïque auxiliaire de référence fournissant une mesure de l'ensoleillement actuel. Toutefois, une telle méthode de régulation ne pourrait 1 être satisfaisante. En effet, on peut déjà remarquer que, notamment dans le cas o la cellule de référence serait éloignée dudit ensemble de cellules, notamment pour des raisons pratiques de circuits électriques, la mesure de l'ensoleillement pourrait être différente de l'ensoleillement réellement reçu par ledit ensemble. De plus, cette cellule auxiliaire de référence ne saurait prendre en considération l'état de propreté et la température de fonctionnement dudit ensemble de cellules, qui constituent cependant des paramètres importants de la puissance fournie par ce dernier. La présente invention a pour objet un procédé et un système permettant la poursuite permanente du point de fonctionnement à la puissance maximale, quels que soient l'ensoleillement de cet ensemble, son orientation, son état de propreté et sa température de fonctionnement, sans faire intervenir les courbes caractéristiques tension-courant et puissance-température dudit ensemble. A cette fin, selon l'invention, le procédé pour l'obten- tion du maximum de puissance à partir d'un ensemble de cellules photovoltaiques, est remarquable en ce que l'on transforme, à l'aide d'un convertisseur commandé par un signal modulé, la puissance continue fournie par ledit ensemble en une puissance alternative et en ce que, séquentiellement, on alterne une première phase pendant laquelle on fait varier le taux de modulation dudit signal, en lui faisant prendre une pluralité de valeurs encadrant la valeur actuelle, on mesure ou on calcule pour chacune desdites valeurs la puissance réellement fournie par le convertisseur et on détermine la valeur du taux de modulation correspondant à ce moment au maxi- mum de cette puissance et une seconde phase pendant 248582? 1 laquelle on règle le taux de modulation à ladite valeur. Ainsi, si à un instant t1 le taux de modulation du signal de commande du convertisseur est T1 et corres- pont à une puissance réellement fournie par le conver- tisseur égale à P1, à l'instant t2 > tl, on fait varier T1 en lui faisant prendre des valeurs T1 +AT, T +2A,T +3AT,.... T1 +nAT et T1 - AT, T1 2AT,... T1 -nAT. Pour chacune de ces 2n valeurs du taux de modulation, on mesure ou on calcule la puisssance réellement fournie par le convertisseur, de sorte que l'on obtient 2n valeurs pour la puissance. Parmi ces 2n valeurs de puissance, et la valeur P1 initiale, on choisit la plus grande, on repère la valeur T1 + i.AT (avec i pouvant être égale à -n, -(n+l), -(n-2),..., 2, -1, 0, 1, 2,... n-l, n) du taux de modulation à laquelle correspond cette plus grande valeur de la puissance et on impose au signal de commande du convertisseur ce taux de modulation T1 + i. AT pendant l'intervalle de temps A t. A l'instant t2 + A t, on recommence les mêmes opérations à partir de cette valeur T1 + i. AT. On voit ainsi que, grâce à l'invention, on peut en permanence obtenir le maximum de puissance disponible, sans se préoccuper des courbes caractéristiques de l'ensemble desdites cellules photovoltaiques. De préférence, le signal modulé de commande du conver- tisseur résulte de la modulation d'un signal constitué d'une suite ininterrompue d'impulsions triangulaires identiques à flancs linéaires et symétriques par un signal sinusoidal de fréquence inférieure, de manière 1 que ledit signal modulé soit constitué d'impulsions de même amplitude, mais de durée variable en fonction de l'amplitude présentée par ledit signal sinusoïdal au moment o chacune d'elles se produit. On remarquera que cette disposition est particulière- ment intéressante, car elle permet le couplage dudit convertisseur sur un réseau d'énergie, susceptible à la fois de recueillir la puissance excédentaire non consommée par une charge alimentée par le convertis- seur et de fournir l'appoint de puissance nécessaire à cette charge, en cas de fourniture insuffisante de puissance par le convertisseur. En effet, il suffit alors que le signal sinusoïdal de modulation soit fourni par ce réseau. On obtient de façon automatique le synchronisme en fréquence et en phase de la tension à la sortie du convertisseur sur la tension du réseau. Il faut bien entendu, de plus, que l'amplitude de la tension à la sortie du convertisseur soit égale à celle du réseau. Pour ce faire, d'une part, on choisit un ensemble de cellules photovolta!ques et un conver- tisseur susceptiblesde fournir, en sortie de ce der- nier, une tension dont l'amplitude est au moins approximativement égale à celle désirée et, d'autre part, on ajuste l'amplitude de cette tension de sortie au convertisseur par action sur le taux de modulation du signal de commande du-convertisseur. On remarquera que, dans ce cas, la tension de sortie du convertis- seur étant imposée, la régulation de puissance selon l'invention, se ramène à une régulation de courant, afin d'obtenir en sortie du convertisseur le courant d'intensité maximale possible, compte tenu de la valeur imposée à la tension. 1 Pour la mise en oeuvre de l'invention, on prévoit un système comportant un ensemble de cellules photovol- talques et un convertisseur continu-alternatif trans- formant la puissance continue engendrée par ledit ensemble en puissance alternative et remarquable en ce que ledit convertisseur est du type susceptible d'être piloté par un signal de commande, qui déter- mine le taux de transformation de la puissance continue en puissance alternative et en ce que ledit système comporte de plus d'une part un modulateur délivrant à sa sortie un signal modulé faisant office de signal de commande pour ledit convertisseur et dont le taux de modulation règle ledit taux de transformation, et d'autre part, un processeur calculant par itération la puissance maximale disponible à la sortie dudit convertisseur et commandant en conséquence ledit taux de modulation du signal modulé. Lorsque ce système est destiné à être raccordé à un réseau, ledit processeur impose un taux de modulation du signal donnant à la sor- tie du convertisseur une tension alternative d'ampli- tude, de fréquence et de phase au moins approximative- ment égales à celles de la tension alternative du réseau et un courant alternatif d'intensité maximale, compte tenu de la valeur de cette tension alternative de sortie du convertisseur. Il est alors particulièrement avanta- geux que le modulateur reçoive comme signal de modula- tion, la tension alternative du réseau. Le convertisseur est avantageusement du type à décou- page par éléments électroniques à conduction contrôlée et il comporte à sa sortie des moyens de filtrage et un transformateur ajustant la forme et l'amplitude de la tension alternative de sortie. Le processeur calcule par itération un courant de référence qu'il impose 1 comme courant de sortie au convertisseur, par réglage du taux de modulation du signal de commande du conver- tisseur. Les figures du dessin annexé feront bien comprendre comment l'invention peut être réalisée. La figure 1 est le schéma synoptique d'un système de production de puissance photovoltaïque selon l'inven- tion. La figure 2 montre schématiquement le convertisseur continu-alternatif du système de la figure 1. La figure 3 donne le schéma synoptique du dispositif électronique de commande du système de la figure 1. La figure 4 montre des signaux, illustrant le fonction- nement du système selon l'invention. La figure 5 illustre le fonctionnement du processeur du système selon l'invention. Sur ces figures, des références identiques désignent des éléments semblables. Le système de production de puissance photovoltaique selon l'invention, illustré par la figure 1, comporte un ensemble de cellules photovoltaïques 1 recevant une énergie solaire E et délivrant à sa sortie 2 une tension continue U et un courant continu I. Le nombre des cellules photovoltaïques de l'ensemble 1 et l'interconnexion de celles-ci (série- parallèle) sont choisis de manière à fournir, en fonction de l'énergie solaire E 1 reçue, au moins la puissance désirée sous la tension U, comprise par exemple entre 150 et 180 V. La sortie 2 de l'ensemble 1 est reliée, par une ligne 3, à un convertisseur continu-alternatif 4, qui reçoit donc la puissance continue sous la tension continue U. Il transforme la puissance continue en une puissance alter- native sous la tension alternative Us qu'il peut injec- ter dans un réseau R, par l'intermédiaire d'une ligne 5 et d'un interrupteur 6, qui est monté en série dans ladite ligne 5 et qui forme la sortie du système selon l'invention. Une charge d'utilisation 7 peut être reliée, par l'in- termédiaire d'un interrupteur 8, à la ligne 9, effectuant la liaison entre l'interrupteur 6 et le réseau R. Cet interrupteur 6 est commandé à l'ouverture ou la fermeture par un mécanisme d'actionnement 10, lui- même commandé par un microprocesseur 11, par l'intermé- diaire d'une ligne 12. Le microprocesseur 11 reçoit, respectivement par une ligne 13, un redresseur 14, un transformateur d'intensité-redresseur 15 et un redres- seur 16, la tension continue U délivrée par l'ensemble 1 des cellules photovoltaiques, une tension continue US image de la tension alternative Us provenant du convertisseur 4, une intensité continue is image de l'intensité alternative Is provenant dudit convertis- seur et une tension continue uR image de la tension alternative UR du réseau R. Par une liaison 17, le microprocesseur commande le fonctionnement d'un dispositif électronique de commande 18, auquel il fournit, par une liaison 19, une inten- sité continue de référence 'ref et par une liaison 20 une tension continue de référence Uref, comme on le 1 verra par la suite. Par ailleurs, le dispositif électronique de commande 18 reçoit, respectivement du redresseur 14 et du transfor- mateur redresseur 15 les images us et i51ainsi que,par une ligne 21,la tension alternatif UR du réseau R. Le dispositif électronique adresse au convertisseur 4, respectivement par des liaisons 22 et 23 un signal de commande PWM et son inverse PWM, qui commandent le fonctionnement dudit convertisseur de la façon décrite ci-après. Le convertisseur 4 peut présentenr la structure montrée par la figure 2. I1 comporte quatre transistors de puissance T1, T2, T3 et T4. Les trajets émetteurs- collecteurs des transistors T1Et T4, d'une part, T2 et T3 d'autre part sont montés en série et les deux branches de trajets émetteurscollecteurs ainsi constituées sont montées en parallèle l'une sur l'autre, entre la ligne 3 véhiculant la puissance continue provenant de l'ensemble 1 des cellules photovoltalques et la masse continue 24 du système. Les bases des transistors T1 et T2, disposés en diagonale, sont reliées à la ligne 22 véhiculant le signal PWM,tandis que les bases des transistors T3 et T4, également dis- posés en diagonale, sont reliées à la ligne 23 véhicu- lant le signal PWM. Entre les points 25, commun aux transistors T1 et T4, et 26, commun aux transistors T2 et T3, est monté le primaire 27 d'un transformateur, dont le secondaire 28 a une extrémité reliée à la ligne 5 pour fournir à celle-ci la tension Us, l'autre extrémité dudit secondaire 28 étant reliée à la masse alternative 29. Entre les points 25 et 26, d'une part, et le primaire 27, d'autre part, sont prévus des filtres 1 30 et 31, respectivement. Ainsi, lorsque les transistors T1 et T2 sont simulta- nément cOemnandés à la conduction par le signal PWM, le courant les traversant et engendré par la tension U, traverse le primaire 27, du point 25 vers le point 26, engendrant une portion, par exemple positive, de la tension Us. Inversement, lorsque les transistors T3 et T4 sont simultanément commandés à la conduction par le signal PWM, le courant les traversant et engendré par la tension U, traverse le primaire 27, du point 26 vers le point 25, engendrant une portion, par exemple négative, de la tension Us. Etant entendu que les impulsions PWMI et PWM sont deux signaux en opposition de phase modulés chacun en largeur, tant que la largeur des impulsions PWM est plus grande que celle des irmpulsions PWM, le dispositif 18 adresse au convertisseur 4 une valeur moyenne positive. InversEment, lorsque la largeur des impulsions PfM est plus grande que celle des impulsions PWM,le dispositif 18 adres- se au convertisseur 4 une valeur moyenne négative. Le convertisseur 4 de la figure 2 permet donc d'obtenir une tension alternative Us à partir de la tension continue U, sous la dépendance des signaux PWM et PWM. Les filtres 30 et 31 sont par exemple du type LC et ils permettent la mise en forme de la tension U s(voir sché- mas c et d de la figure 4). Le transformateur de sortie 27,28 permet de réaliser l'isolement galvanique et l'adaptation en tension. Le dispositif de commande électronique 18, montré par la figure 3, comporte un générateur de signal triangu- laire 32, un générateur de signal sinusoïdal 33, un modulateur 34, un dispositif de régulation 35 et un dispositif de sécurité 36. 1 Le générateur 32 est de tout type connu et il engendre un signal constitué d'une suite ininterrompue d'impul- sions triangulaires P (voir le schéma a de la figure 4), dont les flancs montants et descendants sont linéaires et symétriques. La suite des impulsions P est directe- ment appliquée à l'une des entrées 34 a du modulateur 34. Le générateur sinusoïdal 33 reçoit, par la ligne 21, la tension alternatuve UR du réseau et son rôle peut se limiter, dans le cas d'un système monophasé, à trans- mettre cette tension UR au dispositif de régulation 35. Celui-ci comporte un amplificateur 37 de gain K régla- ble, dont l'entrée reçoit la tension UR et dont la sortie, qui constitue la sortie du dispositif 35, est reliée à l'autre entrée 34 b du modulateur 34. Ce dispositif de régulation 35 comporte de plus deux comparateurs 38 et 39, dont les sorties sont reliées à l'entrée de commande de gain de l'amplificateur 37 par une porte logique 40 de type OU. Le comparateur 38 reçoit, sur l'une de ses entrées, le courant continu is image du courant alternatif I et, sur son autre entrée, le courant de référence Iref' délivré de la façon décrite ci-après, par le micro- processeur 11. De façon semblable, le comparateur 39 reçoit sur l'une de ses entrées, la tension continue us image de la tension alternative Us et, sur son autre entrée, la tension de référence Uref' délivrée de la façon décrite ci-après, par le microprocesseur 11. Ainsi, à leurs sorties, les comparateurs 38 et 39 délivrent des signaux de différence I ref - is et Uref - uS qui éventuellement sont combinés par la porte OU 40 pour commander le gain de l'amplificateur 37. 1 L'amplitude de la tension alternative K.UR appliquée à l'entrée 34b du modulateur 34 (voir le schéma b de la figure 4> dépend donc de chacun de ces signaux d'erreur, isolément ou en combinaison. Le modulateur 34, qui peut être de tout type connu, fournit à ses sorties reliées aux lignes 22 et 23, respectivement les signaux PMI et PWM (voir le schéma c de la figure 4)obtenus par modulation du signal trian- gulaire composé des impulsions P par le signal sinu- soldai K.UR d'amplitude variable.Par cette modulation, les impulsions P dont la fréquence fixe est par exemple de l'ordre de 3KHz, sont transformées en impulsions modulées en largeur en fonction de l'amplitude du signal K.UR. Les schémas de la figure 4 montrent que, du fait de la structure du circuit, la tension Us de sortie du convertisseur 4 est synchronisée en phase et en fréquence avec la tension K.UR, c'est-à-dire avec la tension UR du réseau. Si l'on appelle "taux de modulation", le rapport de l'amplitude (variable) du signal sinusoïdal K.UR et de l'amplitude (fixe) des impulsions triangulaires P, on voit que le taux de modulation T permet de jouer sur la tension de sortie du convertisseur 4. En fonctionnement à vide, c'est-à-dire lorsque les interrupteurs 6 et 8 sont ouverts, le courant Is est nul et le microprocesseur en est prévenu par le trans- formateur d'intensité-redresseur 15. Dans ce cas, il ne s'intéresse qu'à la régulation de la tension Us. Pour ce faire, il impose une tension de référence Uref' égale à la tension uR image de la tension UR du réseau. Par suite, par la chaîne 39,40,37,34,4 et 14, il asservit le taux de modulation T à une valeur corres- 1 pondant à une tension. de sortie Us du convertisseur 4 égale à UR. En fonctionnement de charge, lorsque les interrupteurs 6 et 8 sont fermés, le microprocesseur Il continue sa régulation en tension et il fait en sorte que la tension Us soit légèrement supérieure à la tension UR du réseau pour que le courant Is aille du convertisseur 4 vers le réseau R. De plus, le microprocesseur 11 calcule séquentiellement par itération la puissance disponible à la sortie du convertisseur 4, pour différentes valeurs du taux de modulation T et il fixe sa référence I au niveau maximal (voir la figure 5), en imposant au taux de modulation T la valeur optimale Topt. cor- respondante. Le microprocesseur 11 oblige donc le convertisseur 4, et donc l'ensemble de cellules 1, à fournir en permanence le-maximum de puissance possible. On remarquera que le système est particulièrement stable. En effet, si le courant Is croit, il en résulte une diminution du signal de différence Irefis et donc une diminution de la tension Us: la tension UR du réseau R devient supérieure à Us et le réseau a tendance à débi- ter dans le convertisseur 4, ce qui fait baisser Is. Inversement, si le courant Is décroît, le taux de modu- lation T croit, ce qui entraîne une augmentation de la tension Us, ainsi que du courant I Si l'éclairement des cellules photovoltaiques de l'en- semble 1 devenait insuffisant pour assurer le maintien de la tension U à la sortie du convertisseur 4 au niveau recherché, le microprocesseur en serait averti par la ligne 13 et il commanderait l'arrêt du système en envoyant sur le dispositif de sécurité 36, à travers la ligne 17, ainsi que l'ouverture de l'interrupteur 6, par l'intermédiaire du dispositif 10. Le dispositif 1 de sécurité 36 peut, par le moyen d'entrées 41, recevoir d'autres ordres de commande, concernant par exemple l'échauffement des cellules de l'ensemble 1, ou bien les ordres généraux de marche et d'arrêt. Le système selon l'invention permet donc - de réguler le courant alternatif pour obtenir un transfert unidirectionnel de la puissance maximale du convertisseur vers le réseau; - de poursuivre en permanence le point de fonctionne- ment à puissance maximale, sans faire intervenir les caractéristiques propres des cellules photovoltaïques. Quoique dans l'exemple ci-dessus, on ait décrit un système monophasé, il va de soi que la présente inven- tion peut fournir une énergie polyphasée. Dans ce cas, le transformateur 27,28 assure l'isolement galvanique indispensable, tandis que le générateur sinusoisal 33 permet de distribuer les signaux pour piloter trois convertisseurs monophasés 34, en respectant le dépha- sage de 1200 entre eux. Le calcul par itération du microprocesseur se fait, en fonctionnement, autour d'une valeur de Iref immédiate- ment précédente. Il est donc avantageux de prévoir une séquence de mise en marche spéciale permettant d'établir progressivement le signal sinusoïdal et d'obtenir, par conséquent, une augmentation régulière du taux de modulation Tjusqu'à une valeur optimale. REVENDICATIONS 1 1 - Procédé pour l'obtention du maximum de puissance à partir d'un ensemble de cellules photovoltalques, caractérisé en ce que l'on transforme, à l'aide d'un convertisseur commandé par un signal modulé, la puis- sance continue fournie par ledit ensemble en une puissance alternative et en ce que, séquentiellement, on alterne une première phase pendant laquelle on fait varier le taux de modulation dudit signal en lui faisant prendre une pluralité de valeurs encadrant la valeur actuelle, on mesure ou on calcule pour chacune desdites valeurs la puissance réellement fournie par le conver- tisseur et on détermine la valeur du taux de modula- tion correspondant à ce moment au maximum de cette puissance et-une seconde phase pendant laquelle on règle le taux de modulation à ladite valeur. 2 - Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le signal modulé de commande du convertisseur résulte de la modulation d'un signal constitué d'une suite ininterrompue d'impulsions triangulaires identi- ques à flancs linéaires et symétriques par un signal sinusoïdal de fréquence inférieure, de manière que ledit signal modulé soit constitué d'impulsions de même amplitude, mais de durée variable en fonction de l'amplitude présentée par ledit signal sinusoïdal au moment o chacune d'elles se produit. 3 - Procédé selon la revendication 2, dans lequel on couple ledit convertisseur à un réseau, caractérisé en ce que ledit signal sinusoïdal de modulation est fourni par ledit réseau. 1 4 - Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'on choisit l'ensemble de cellules photovol- talques et le convertisseur susceptibles de fournir, en sortie de ce dernier, une tension alternative dont l'amplitude est au moins approximativement égale à celle du réseau, en ce qu'on ajuste l'amplitude de cette tension de sortie du convertisseur par action sur le taux de modulation du signal de commande du convertis- seur et en ce qu'on asservit l'intensité du' courant de sortie du convertisseur à l'intensité maximale, compte tenu de la valeur imposée à ladite tension de sortie. - Procédé selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce que la variation du taux de modulation s'effectue par variation de l'amplitude du signal sinusoïdal de modulation. 6 - Système pour la production de puissance photovol- taique, destiné à la mise en oeuvre du procédé spécifié selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 et comportant un ensemble de cellules photovoltaïques et un convertisseur continu-alternatif transformant la puissance continue engendrée par ledit ensemble en puissance alternative, caractérisé en ce que ledit convertisseur est du type susceptible d'être piloté par un signal de commande, qui détermine le taux de transformation de la puissance continue en puissance alternative,et en ce que ledit système comporte de plus d'une part un modulateur délivrant à sa sortie un signal modulé faisant office de signal de commande pour ledit convertisseur et dont le taux de modulation règle ledit taux de transformation et, d'autre part, un processeur calculant par itération la puissance maximum disponible à la sortie dudit convertisseur et commandant en conséquence ledit taux de modulation 1. du signal modulé. 7 - Système selon la revendication 6, destiné à être rac- cordé à un réseau, caractérisé en ce que ledit processeur impose un taux de modulation du signal donnant à la sortie du convertisseur une tension alternative d'ampli- tude, de fréquence et de phase au moins approximative- ment égales à celles de la tension alternative du réseau et un courant alternatif d'intensité maximale, compte tenu de la valeur de cette tension alternative de sortie du convertisseur. 8 - Système selon la revendication 7, caractérisé en ce que le modulateur reçoit, comme signal de modula- tion, la tension alternative du réseau. 9 - Système selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce que le convertisseur est du type à découpage par éléments électroniques à conduc- tion contrôlée et en ce qu'il comporte à sa sortie des moyens de filtrage et un transformateur ajustant la forme et l'amplitude de la tension alternative de sortie. - Système selon l'une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce que le processeur calcule par itération un courant de référence qu'il impose comme courant de sortie au convertisseur, par réglage du taux de modulation du signal de commande du conver- tisseur.