Proposition de conception pour l'optimisation des systèmes d'énergie solaire

Une approche plus récente d'optimisation de l'efficacité et de la fiabilité des systèmes solaires consiste à utiliser des micro-onduleurs connectés à chaque panneau solaire.
Équipé d'un micro-onduleur distinct pour chaque panneau solaire, le système peut s'adapter à des conditions de charge et aux conditions météorologiques changeantes, offrant une efficacité de conversion optimale pour un seul panneau et l'ensemble du système.
  
   
L'architecture du micro-onduleur simplifie également le câblage, ce qui réduit les coûts d'installation.
  
   
En rendant le système de production d'énergie solaire du consommateur plus efficace, le temps nécessaire au système pour «se rétracter» de l'investissement initial dans la technologie solaire sera réduit.
  
Les onduleurs sont des composants électroniques clés des systèmes d'énergie solaire. Dans les applications commerciales, ces composants connectent des panneaux photovoltaïques (PV), des batteries stockant de l'énergie électrique et des systèmes de distribution d'énergie locaux ou des réseaux de distribution.
La figure 1 montre un onduleur solaire typique qui convertit les très basses tensions continues de la sortie du générateur photovoltaïque en plusieurs tensions, telles que la tension continue de la batterie, la tension secteur et la tension du réseau de distribution.
  
   
Dans un système de collecte d'énergie solaire typique, plusieurs panneaux solaires sont connectés en parallèle à un onduleur qui convertit la sortie CC variable de plusieurs cellules photovoltaïques en un onduleur à onde sinusoïdale propre de 50 Hz ou 60 Hz.
  
   
  
  
En outre, il convient de noter que le module TMS320C2000 ou MSP430 du microcontrôleur (MCU) de la figure 1 contient généralement des périphériques clés sur puce, tels que des modules à modulation de largeur d'impulsion (PWM) et des convertisseurs A / N.
  
  
  
   
Figure 1: L'architecture de conversion de puissance traditionnelle consiste en un onduleur solaire qui reçoit une tension de sortie CC basse du générateur photovoltaïque et produit une tension de ligne alternative.
  
L'objectif principal de la conception est de maximiser l'efficacité de la conversion.
Il s'agit d'un processus complexe et itératif impliquant l'algorithme MPPT (Maximum Power Point Tracking Algorithm) et un contrôleur en temps réel qui exécute les algorithmes associés.
  
   
1 Maximiser l'efficacité de la conversion d'énergie
  
Les onduleurs qui n'utilisent pas l'algorithme MPPT connectent simplement le module PV directement à la batterie, le forçant à fonctionner à la tension de la batterie.
  
  
Presque sans exception, la tension de la batterie n'est pas la valeur idéale pour collecter l'énergie solaire la plus disponible.
  
  
  
La figure 2 illustre les caractéristiques courant / tension typiques d'un module photovoltaïque de 75 W à une température de batterie de 25 ° C.
La ligne en pointillé indique le rapport entre la tension (PV VOLTS) et l’alimentation (PV WATTS).
  
La ligne continue indique le rapport tension / courant (PV AMPS). Comme le montre la figure 2, à 12V, la puissance de sortie est d'environ 53W.
En d'autres termes, en forçant le module photovoltaïque à fonctionner à 12V, la puissance de sortie est limitée à environ 53W.
  
Mais avec l'algorithme MPPT, la situation a radicalement changé. Dans cet exemple, la tension à laquelle le module peut atteindre une puissance de sortie maximale est de 17V.
Par conséquent, le travail de l'algorithme MPPT consiste à faire fonctionner le module à 17 V, de sorte que toute la puissance de 75 W puisse être obtenue à partir du module, quelle que soit la tension de la batterie.
  
Le convertisseur de puissance CC / CC à haute efficacité convertit la tension de 17 V à l'entrée du contrôleur en tension à la sortie de la batterie.
Puisque le convertisseur CC / CC réduit la tension de 17 V à 12 V, dans ce cas, le courant de charge de la batterie dans le système prenant en charge la fonction MPPT est:
  
   
(VMODULE / VBATTERY) × IMODULE, ou (17V / 12V) × 4,45A = 6,30A.
  
   
En supposant que l'efficacité de conversion du convertisseur CC / CC soit de 100%, le courant de charge augmentera de 1,85 A (ou 42%).
  
Bien que cet exemple suppose que l'onduleur traite l'énergie d'un seul panneau solaire, les systèmes classiques ont généralement un onduleur connecté à plusieurs panneaux.
Cette topologie présente des avantages et des inconvénients en fonction de l'application.
  
   
2 algorithme MPPT
  
Il existe trois principaux types d'algorithmes MPPT: l'observation des perturbations, l'incrément de conductance et la tension constante.
Les deux premières méthodes sont souvent appelées «escalade» car elles sont basées sur les faits suivants:
  
   
Sur le côté gauche du MPP, la courbe est à la hausse (dP / dV) 0), tandis que sur le côté droit du MPP, la courbe est à la baisse (dP / dV «0»).
  
La méthode d'observation des perturbations (P & O) est la plus couramment utilisée. L'algorithme perturbe la tension de fonctionnement dans une direction donnée et échantillonne dP / dV. Si dP / dV est positif, l'algorithme «comprend» qu'il était en train d'ajuster la tension en fonction du MPP.
Ensuite, il ajustera toujours la tension dans cette direction jusqu'à ce que dP / dV devienne négatif.
  
Les algorithmes P & O sont faciles à implémenter, mais en fonctionnement permanent, ils oscillent parfois autour du MPP.
Et leur vitesse de réaction est lente, et même dans des conditions météorologiques changeantes, il est possible d’inverser la direction.
  
La méthode d’incrément de conductance (INC) utilise l’incrément de conductance dI / dV du générateur photovoltaïque pour calculer les valeurs positive et négative de dP / dV. INC peut suivre les expositions à la lumière changeantes rapidement avec plus de précision que P & O. Mais comme P * O, il peut aussi osciller et être «trompé» par les conditions atmosphériques changeant rapidement.
Un autre inconvénient est que la complexité ajoutée augmente le temps de calcul et réduit la fréquence d'échantillonnage.
  
La troisième méthode, «Méthode à tension constante», repose sur les faits suivants: En général, VMPP / VOC0.76. Le problème avec cette méthode est qu’elle nécessite un réglage instantané du courant du générateur photovoltaïque à zéro pour mesurer la tension en circuit ouvert du générateur. Ensuite, la tension de fonctionnement de la matrice est définie sur 76% de la valeur mesurée. Cependant, lors de la déconnexion du réseau, l’énergie disponible est gaspillée.
Il a également été constaté que bien que 76% de la tension de circuit ouvert soit une bonne approximation, elle n’est pas toujours compatible avec le MPP.
  
Etant donné qu'aucun algorithme MPPT ne peut satisfaire toutes les exigences d'utilisation courantes, de nombreux ingénieurs de conception laisseront au système d'abord évaluer les conditions environnementales, puis sélectionner l'algorithme le mieux adapté aux conditions environnementales actuelles.
En fait, de nombreux algorithmes MPPT sont disponibles, et il n'est pas rare que les fabricants de panneaux solaires fournissent leurs propres algorithmes.
  
   
Pour les contrôleurs peu coûteux, en plus des fonctions de contrôle normales du MCU, l'exécution de l'algorithme MPPT n'est pas une tâche facile. L'algorithme nécessite que ces contrôleurs disposent d'une puissance de calcul supérieure.
  
   
Les microcontrôleurs 32 bits en temps réel avancés, tels que la famille de plates-formes C2000 de Texas Instruments, conviennent à diverses applications solaires.
  
   
3 onduleurs
  
L’utilisation d’un seul onduleur présente de nombreux avantages, le plus important étant la simplicité et le faible coût. L'efficacité du système à un seul onduleur est améliorée avec l'algorithme MPPT et d'autres techniques, mais seulement dans une certaine mesure. Les inconvénients d’une topologie d’onduleur unique peuvent varier en fonction de l’application.
Le problème le plus important est le problème de fiabilité: tant que l'onduleur tombe en panne, l'énergie générée par tous les panneaux est gaspillée avant que l'onduleur ne soit réparé ou remplacé.
  
Même si le variateur fonctionne correctement, une topologie unique peut avoir un impact négatif sur l'efficacité du système. Dans la plupart des cas, chaque panneau solaire a des exigences de contrôle différentes pour une efficacité maximale.
Les facteurs qui déterminent l'efficacité de chaque panneau sont les suivants: différences de fabrication des modules photovoltaïques contenus dans le panneau, températures ambiantes différentes, ombres et azimuts d'intensités lumineuses différentes (énergie solaire reçue).
  
Par rapport à l'utilisation d'un onduleur dans l'ensemble du système, la fourniture d'un micro-onduleur pour chaque panneau solaire du système augmentera encore l'efficacité de conversion de l'ensemble du système.
Le principal avantage de la topologie de micro-onduleur réside dans le fait que même si l'un des onduleurs tombe en panne, la conversion d'énergie peut toujours avoir lieu.
  
L'utilisation d'un micro-onduleur présente d'autres avantages, notamment la possibilité de régler les paramètres de conversion de chaque panneau solaire à l'aide de la technologie PWM haute résolution. Étant donné que les nuages, les ombres et les ombres modifient la sortie de chaque panneau, la fourniture d'un micro-onduleur unique à chaque panneau permet au système de s'adapter aux conditions de charge changeantes.
Cela fournit la meilleure efficacité de conversion pour chaque panneau et pour l'ensemble du système.
  
L'architecture du micro-onduleur nécessite que chaque panneau dispose d'un MCU dédié à la gestion de la conversion d'énergie.
Cependant, ces MCU supplémentaires peuvent également être utilisés pour améliorer la surveillance des systèmes et des panneaux.
  
Par exemple, les grandes centrales solaires tirent parti de la communication inter-panneaux pour aider à maintenir l’équilibrage de la charge et permettre aux administrateurs système de planifier à l’avance la quantité d’énergie disponible et son utilisation.
Toutefois, pour tirer pleinement parti des avantages de la surveillance du système, le MCU doit intégrer des périphériques de communication sur puce (CAN, SPI, UART, etc.) afin de simplifier l'interface avec d'autres micro-onduleurs du générateur solaire.
  
Dans de nombreuses applications, l'utilisation d'une topologie de micro-onduleur peut augmenter considérablement l'efficacité globale du système. Au niveau du panel, l'efficacité devrait augmenter de 30%.
Cependant, en raison de la grande diversité d'applications, le pourcentage «moyen» d'améliorations au niveau du système n'a pas beaucoup de sens.
  
   
Analyse d'application Lors de l'estimation de la valeur d'un convertisseur micro-fréquence dans une application spécifique, la topologie doit être considérée de plusieurs manières.
  
Dans les petites applications, les panneaux peuvent faire face aux mêmes conditions d'éclairage, de température et d'ombre.
Par conséquent, les micro-onduleurs jouent un rôle limité dans l'amélioration de l'efficacité.
  
Afin de faire fonctionner les panneaux à différentes tensions pour une efficacité énergétique maximale, un convertisseur CC / CC est nécessaire pour unifier la tension de sortie de chaque panneau à la tension de fonctionnement de la batterie de stockage d'énergie. Pour minimiser les coûts de fabrication, le convertisseur CC / CC et l'onduleur peuvent être conçus comme un seul module.
Un convertisseur CC / CA pour la ligne d'alimentation locale ou le réseau de distribution peut également être intégré au module.
  
Les panneaux solaires doivent communiquer les uns avec les autres, ce qui ajoute des fils et de la complexité.
Ceci est un autre problème pour inclure des onduleurs, des convertisseurs DC / DC et des panneaux solaires dans le module.
  
   
La MCU de chaque onduleur doit toujours avoir une capacité suffisante pour exécuter plusieurs algorithmes MPPT afin de s'adapter à différents environnements d'exploitation.
  
   
L'utilisation de plusieurs microcontrôleurs augmentera le coût matériel du système global.
  
Chaque fois que vous envisagez de modifier l'architecture, vous serez attentif à son coût.
Pour atteindre l'objectif de prix du système, disposer d'un contrôleur par panneau signifie que son coût doit être compétitif et petit, tout en gérant simultanément toutes les tâches de contrôle, de communication et de calcul.
  
L'intégration des bons périphériques de contrôle sur puce et l'intégration analogique élevée sont deux éléments fondamentaux pour garantir des coûts système faibles.
Des performances élevées sont également nécessaires pour mettre en œuvre des algorithmes développés pour optimiser la conversion, la surveillance du système et le stockage de l'énergie.
  
En plus de répondre aux exigences du micro-onduleur lui-même, il peut également gérer des MCU nécessitant la plupart du système, y compris la conversion CA / CC, la conversion CC / CC et la communication inter-panneaux, ce qui réduit le coût d'utilisation de plusieurs MCU. .
augmenter.
  
   
4 MCU Caractéristiques
  
Une pondération soigneuse de ces exigences de haut niveau est le meilleur moyen de déterminer les fonctionnalités dont un MCU a besoin. Par exemple, un contrôle d’équilibrage de charge est requis lors de la mise en parallèle des panneaux. La MCU sélectionnée doit être capable de détecter le courant de charge et peut augmenter ou diminuer la tension de sortie en activant / désactivant le transistor MOSFET de sortie.
Cela nécessite un CAN sur puce à haute vitesse pour échantillonner la tension et le courant.
  
La conception du micro-onduleur n'a pas de mode «inchangé». Cela signifie que les concepteurs doivent être capables et novateurs d’adopter de nouvelles techniques et technologies, en particulier pour la communication entre panneaux et systèmes. La MCU la plus appropriée devrait prendre en charge une variété de protocoles, y compris certains qui ne sont normalement pas considérés, tels que les communications de ligne de puissance (CPL) et le réseau de contrôleur (CAN). En particulier, la communication par ligne électrique peut réduire les coûts du système car aucune ligne de communication spéciale n’est nécessaire.
Toutefois, cela nécessite que la MCU intègre des processeurs PWM hautes performances, des convertisseurs ADC à haute vitesse et des processeurs hautes performances.
  
Une caractéristique inattendue mais précieuse pour les MCU conçus pour les applications à onduleur solaire est le double oscillateur sur puce, qui peut être utilisé pour la détection des pannes d'horloge afin d'améliorer la fiabilité.
La possibilité de faire fonctionner simultanément deux horloges système contribue également à réduire les problèmes d'installation de panneaux solaires.
  
En raison des nombreuses innovations dans la conception des micro-onduleurs solaires, la fonction la plus importante pour les MCU est peut-être la programmation logicielle.
Cette fonctionnalité vous offre la plus grande flexibilité dans la conception et le contrôle des circuits de puissance.
  
Le microcontrôleur C2000 est équipé d’un cœur de traitement numérique avancé qui traite efficacement les opérations algorithmiques et d’un ensemble de périphériques sur puce pour le contrôle de la conversion d’énergie. Il est largement utilisé dans les topologies classiques d’inverseurs de panneaux solaires. La nouvelle famille de microcontrôleurs C2000 de la série Piccolo est économique. Le plus petit boîtier de cette famille ne contient que 38 broches, mais son architecture est plus avancée et les périphériques sont améliorés, ce qui permet de tirer parti des avantages du contrôle en temps réel 32 bits.
Applications telles que les micro-onduleurs pour le coût global du système.
  
De plus, la famille Piccolo MCU intègre deux oscillateurs 10 MHz sur puce pour la comparaison d’horloge, le VREG sur puce avec réinitialisation à la mise sous tension et protection contre la mise hors tension, plusieurs PWM 150ps haute résolution et 4,6 bits 12 bits.
  
  
ADC Megasample / seconde et interfaces de protocole de communication telles que I2C (PMBus), CAN, SPI et UART.
  
  
  
   
Figure 3: Le système MCU pour systèmes photovoltaïques à micro-onduleur se compose d'unité centrale de traitement, de mémoire, d'alimentation et d'horloge, de périphériques.
  
La performance est une caractéristique clé des micro-onduleurs. Bien que la famille de périphériques Piccolo soit plus petite et moins chère que les autres MCU C2000, ses fonctionnalités se sont améliorées, telles que son accélérateur de loi de contrôle à virgule flottante programmable (CLA), qui gère des algorithmes complexes de contrôle à grande vitesse pour le CPU.
Cela évite au processeur de gérer les boucles d'E / S et de rétroaction et peut améliorer les performances d'un facteur 5 dans les applications en boucle fermée.
  
   
5 Défis de la batterie photovoltaïque
  
L'un des inconvénients des systèmes de production d'énergie solaire est l'efficacité de la conversion. Les panneaux solaires peuvent tirer en moyenne environ 1 mW de 100 mm2 de cellules photovoltaïques. L'efficacité typique est d'environ 10%.
Le facteur de puissance de la source d’énergie photovoltaïque (c’est-à-dire le rapport entre l’énergie électrique moyenne réellement produite par la cellule solaire et l’énergie électrique générée théoriquement à condition que la lumière solaire soit toujours éclairée) est d’environ 15% à 20%.
  
   
Cela s'explique par un certain nombre de raisons, notamment les changements du soleil, tels que la disparition complète la nuit et même le jour, les ombres et les conditions météorologiques entraînent souvent une réduction de la lumière.
  
La conversion photoélectrique introduit davantage de variables dans le calcul du rendement, notamment la température du panneau solaire et son rendement de pointe théorique. Un autre problème pour les ingénieurs concepteurs est que la tension générée par la cellule photovoltaïque varie d’environ 0,5V de manière irrégulière. Ce changement peut avoir un impact grave lors du choix d'une topologie de conversion d'énergie.
Par exemple, pour une technologie de conversion d'énergie inefficace, il est possible de consommer une grande partie de l'énergie photovoltaïque collectée.
  
Pour tenir compte du fait que le soleil n'est pas éclairé 24 heures sur 24, les systèmes alimentés à l'énergie solaire doivent contenir des batteries et les composants électroniques complexes nécessaires pour charger efficacement les batteries.
Lorsque la batterie est intégrée au système, le chargement de la batterie nécessite des circuits de conversion CC / CC supplémentaires, tout en nécessitant une gestion et une surveillance de la batterie.
  
De nombreux systèmes alimentés à l'énergie solaire sont également reliés au réseau, ce qui nécessite une synchronisation de phase et une correction du facteur de puissance. Il existe également de nombreux environnements qui nécessitent des contrôles complexes. Par exemple, un mécanisme d'avertissement de panne doit être intégré pour empêcher des événements tels que des pannes de courant dans le réseau public. Ce ne sont que les principaux éléments que les ingénieurs de conception doivent prendre en compte.