MPPT for Charge Controller and Solar Panel/fr

Cette page a été développée par le Groupe de recherche sur le développement durable appliqué de l' Université Queen's .

du résumé

Cette page présente brièvement la conception et le développement d'un circuit économique permettant d'extraire un maximum d'énergie d'un panneau solaire et de charger une batterie de stockage de manière optimale. Le circuit conçu est composé d'un microcontrôleur (PIC16F72) qui génère un signal impulsionnel haute fréquence de largeur variable en fonction de la puissance de sortie du panneau solaire et des caractéristiques électriques de la charge, afin d'optimiser le rendement du système. Ce signal impulsionnel pilote un convertisseur DC-DC Buck-Boost qui fournit une tension constante de 15 V à la batterie, garantissant ainsi une capacité de stockage optimale. Le microcontrôleur gère le fonctionnement du système grâce à un code assembleur programmé sous MPLAB IDE. Le microcontrôleur (PIC16F72) surveille l'état du panneau photovoltaïque et de la batterie et génère les signaux de commande nécessaires pour fournir une puissance maximale à la batterie, quelle que soit la tension de sortie du panneau solaire.

Étude de fond

Plusieurs options permettent la recherche du point de puissance maximale (MPT) d'un système photovoltaïque, notamment la conductance incrémentale, la commande par logique floue, la commande par chute de tension du condensateur du bus DC et la technique de balayage de courant [8]. La commande par chute de tension du condensateur du bus DC intègre un convertisseur élévateur dans la topologie. Cependant, pour garantir une charge optimale de la batterie, quel que soit le niveau d'ensoleillement, un convertisseur élévateur-abaisseur (Buck-Boost) est nécessaire. La conception de la plupart des convertisseurs Buck-Boost requiert plusieurs MOSFET [7], [9], qui consomment une quantité d'énergie importante sous forme de pertes de commutation. Le convertisseur élévateur-abaisseur inverseur du système proposé ne comporte qu'un seul MOSFET de puissance [1], [6], ce qui réduit les pertes de commutation. Un autre aspect important d'un système photovoltaïque est le contrôleur de charge. Les contrôleurs de charge bloquent le courant inverse et empêchent la surcharge et la décharge excessive de la batterie [10]. Le système proposé intègre également la fonction de contrôleur de charge grâce à sa coordination dynamique par microcontrôleur.

Opération de base

Le schéma fonctionnel de base du système MPPT est présenté ci-dessous. Pour charger la batterie à tension constante, un convertisseur DC-DC buck-boost est piloté par l'impulsion carrée générée par le microcontrôleur. Si la tension de charge fournie à la batterie est inférieure à la tension spécifiée, le microcontrôleur augmente le rapport cyclique pour relever la tension de sortie, et inversement. Le microcontrôleur mesure la tension de sortie du panneau solaire via le chemin A. Cet exemple permet de déterminer si le système MPPT doit fournir un courant de charge à la batterie. Le retour d'information provenant de l'entrée de la batterie, reçu via le chemin de rétroaction B, est utilisé pour ajuster le rapport cyclique de l'impulsion générée par le microcontrôleur, afin que le système tire le maximum de puissance possible du panneau photovoltaïque pour charger la batterie.

Dispositifs et composants utilisés

Le dispositif et les composants utilisés dans la conception sont spécifiés ci-dessous : microcontrôleur (PIC16F72), MOSFET à canal P (IRF9530), transistor PNP (BC178), transistor de puissance NPN (BD437), inductance, résistances, condensateurs, diode

du système proposé

Le système proposé se compose des unités clés suivantes : chemin d’échantillonnage, chemin de rétroaction et blocs, comme illustré sur la figure 1. Ces éléments sont brièvement présentés dans les sous-sections correspondantes. Une explication détaillée est disponible dans le rapport de stage . Le schéma détaillé du système proposé est illustré sur la figure 2.

le convertisseur Buck-Boost

Le convertisseur Buck-Boost ajuste la tension de sortie du panneau solaire en l'augmentant ou en la diminuant afin de charger la batterie à la tension optimale.

du chemin d'échantillonnage A

Le chemin d'échantillonnage A est un simple diviseur de tension qui ajuste la tension du panneau solaire à un niveau bas (inférieur à 5 V) approprié pour être utilisé comme entrée d'un microcontrôleur.

du chemin de commentaires B

Un simple diviseur de tension ne peut être utilisé dans cette boucle de rétroaction, car l'abaissement de la tension négative produirait également une tension négative, impropre à une utilisation comme entrée pour un microcontrôleur. Nous avons donc utilisé un transistor PNP basse consommation (BC178) pour inverser et échantillonner la tension dans la plage de fonctionnement du microcontrôleur PIC.

le microcontrôleur

Le microcontrôleur est l'élément clé du système. Il compare les valeurs d'entrée aux valeurs prédéfinies afin d'adapter le rapport cyclique du signal d'impulsion et produire la sortie souhaitée. Le signal d'échantillonnage A détermine si le système doit rester en fonctionnement. En cas de très faible ensoleillement, le panneau solaire ne fournit pas suffisamment d'énergie ; le signal d'échantillonnage A passe alors sous le seuil, ce qui incite le microcontrôleur à interrompre la charge de la batterie. Le signal de rétroaction B permet de modifier le rapport cyclique du convertisseur buck-boost. Si la rétroaction est inférieure à la tension cible, le microcontrôleur augmente le rapport cyclique de l'impulsion, ce qui accroît la tension de sortie du convertisseur buck-boost. Inversement, si la rétroaction est supérieure à la tension cible, le rapport cyclique est réduit.

Résultats expérimentaux et discussion

Au lieu d'un panneau solaire, une alimentation de laboratoire variable a été utilisée pour faire varier la tension d'entrée du convertisseur CC-CC et ainsi étudier le signal PWM en fonction de cette tension. De plus, une charge résistive fictive a été employée à la place de la batterie. La figure 3 présente les résultats expérimentaux du rapport cyclique nécessaire pour obtenir une tension de sortie fixe de 15 V pour différentes tensions d'entrée du convertisseur CC-CC développé. Le microcontrôleur ajuste le rapport cyclique afin de produire une tension de sortie de 15 V. Cependant, en fonctionnement réel, la tension de sortie du convertisseur Buck-Boost ne peut pas varier aussi rapidement que le rapport cyclique du microcontrôleur. Ceci est dû à la présence du transistor de puissance dans le circuit de commande du MOSFET ; ce transistor introduit un délai entre son entrée provenant du microcontrôleur et sa sortie vers le MOSFET. Un délai approprié (0,63 seconde) est donc introduit à la fin de chaque conversion analogique-numérique afin de maintenir la synchronisation entre le microcontrôleur et le convertisseur CC-CC. Par ailleurs, la capacité de grille élevée du MOSFET empêche sa coupure rapide. Par conséquent, si le rapport cyclique du signal d'impulsion dépasse 0,44, le MOSFET n'est jamais complètement désactivé et le système ne fonctionne donc pas correctement. C'est pourquoi, pour le modèle expérimental développé, la largeur d'impulsion ne peut être modifiée que dans une certaine plage (0,04-0,44). Cette plage de rapport cyclique peut varier pour d'autres modèles expérimentaux en fonction du MOSFET utilisé et du type de convertisseur Buck-Boost intégré au système.

Conclusion

Ce système ne comporte qu'un seul MOSFET, ce qui réduit les pertes de commutation et le coût des composants par rapport aux autres systèmes d'extraction de puissance maximale. Le fonctionnement du convertisseur CC-CC à haute fréquence permet l'utilisation d'une inductance de petite taille et à faible coût, réduisant ainsi les pertes résistives. Le système développé optimise la puissance fournie à la batterie, même en cas de faible ensoleillement, et améliore le rendement global du système d'énergie solaire.

Travaux complémentaires

Ce prototype a été conçu en laboratoire. Des recherches supplémentaires sont nécessaires concernant son efficacité et son intégration à un panneau solaire.

les références

[1] DW Hart, Power Electronics, 1re éd. Valparaiso, Indiana : McGraw Hill, 2011. [2] (2014) Site Web Magnetics. [En ligne]. Disponible : http://www.mag-inc.com/design/design-guides/Inductor-Design-with-Magmetics-Ferrite-Cores [3] SM Azim, « Développement d’un circuit MPPT pour panneau solaire », Université Brac, Dhaka, Bangladesh, Rapport international, 2014. [4] « Fiche technique du PIC16F72 », Microchip, Arizona, États-Unis. [5] « Manuel de référence PICmicro Mid-Range », Microchip, Arizona, États-Unis. [6] N. Mohan, TM Undeland et WP Robbins, Power Electronics, 2e éd., Minneapolis, Minnesota : John Wiley & Sons, Inc., 1995. [7] B. Sahu et GA Rincon-Mora, « A low voltage, dynamic, noninverting, synchronous buck-boost converter for portable applications », dans IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 19, n° 2, p. 443-452, mars 2004. [8] T. Esram et PL Chapman, « Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques », dans IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 22, n° 1, p. 1-10, 2004. [9] L. Chang, Z. Liu, Y. Xue et Z. Guo, « A Novel Buck Boost Inverter for Photovoltaic Systems », dans Canadian Solar Buildings Conference, p. 1, 8, août 2004. [10] (2015) Site web de Blue Sky Energy [En ligne]. Disponible : http://www.blueskyenergyinc.com/reviews/article/what_is_a_charge_controller