FR2910141A1 - Systeme de generation d'energie electrique avec maximisation de la puissance - Google Patents
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Abstract
Un système de génération d'énergie électrique comprenant :- une pluralité de générateurs photovoltaïques (G1-Gn) montés en parallèle, reliés à une charge commune (CL, BUS, BATT) par l'intermédiaire de convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) ;et- un régulateur (MPPT_REG) configuré pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs (G1-Gn) ;caractérisé en ce que :- lesdits générateurs (G1-Gn) sont également reliés à une entrée commune (EC) d'un convertisseur de tension supplémentaire (MPPTn+1) dont la sortie est à son tour reliée à ladite charge commune (CL); en ce que- ledit régulateur (MPPT_REG) est également configuré pour régler la transconductance dudit convertisseur supplémentaire (MPPTn+1) de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs (G1-Gn).
Description
SYSTEME DE GENERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE AVEC MAXIMISATION DE LA
PUISSANCE L'invention porte sur un système de génération d'énergie électrique comprenant une pluralité de générateurs de courant continu montés en parallèle, reliés à une charge commune par l'intermédiaire de convertisseurs de tension continue respectifs, ledit système comprenant également un régulateur pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant.
L'invention s'applique en particulier, mais de manière non limitative, aux générateurs solaires de type photovoltaïque, et plus particulièrement aux générateurs solaires des engins spatiaux. Les satellites et les sondes spatiales comportent généralement des générateurs photovoltaïques destinés à alimenter les appareils embarqués et à charger les batteries qui assurent l'alimentation pendant les périodes d'éclipse. D'une manière conventionnelle, les systèmes de génération d'énergie électrique pour les applications spatiales sont conçus de manière à faire fonctionner les générateurs photovoltaïques à un point prédéterminé de leur caractéristique tension-courant. Cette solution présente l'avantage de la simplicité, mais ne permet pas de maximiser la puissance engendrée. En effet, il est connu que les générateurs photovoltaïques présentent un point de fonctionnement optimal MPP = (VMPP, IMPP), qui dépend fortement de la température et de l'éclairement desdits générateurs, et qui varie dans le temps suite à leur vieillissement. Pour cette raison, il est connu de relier les générateurs photovoltaïques à leur charge (une barre de distribution de puissance, ou un dispositif de stockage d'énergie tel qu'une batterie) par l'intermédiaire de convertisseurs de tension continue dont la transconductance peut être variée de manière automatique afin de poursuivre le point de fonctionnement optimal (MPPT : maximum power point tracking , poursuite du point à puissance maximale).
2910141 2 Cette technique est de plus en plus utilisée dans les applications spatiales. Par exemple, la sonde Rosetta de l'Agence Spatiale Européenne (ESA) est destinée à opérer dans des conditions d'éclairement et 5 de température très variables (diminution de l'éclairement d'un facteur 25 accompagné d'une baisse de température de 360 C au cours de la mission) rendant nécessaire l'utilisation d'un contrôleur MPPT. Le système de puissance de Rosetta a été réutilisé pour deux autres missions de I'ESA, Mars Express et Venus Express .
10 II est généralement très important qu'un système de génération d'énergie électrique pour des applications spatiales présente une structure modulaire, avec une bonne ségrégation entre les différents modules. Par ségrégation on entend ici le fait que la défaillance d'un élément ne doit pas se propager aux autres. Plus en général, on cherche une bonne tolérance aux 15 pannes ; par exemple, il est souhaitable qu'une panne isolée dans un dispositif de commande de puissance (interrupteur, régulateur, convertisseur, etc.) ne provoque pas de perte de puissance. Les systèmes de génération d'énergie électrique MPPT (à poursuite du point de fonctionnement optimal) connus de l'art antérieur ne 20 présentent pas des propriétés satisfaisantes de ségrégation et de tolérance aux pannes. De plus, dans ces systèmes, il est difficile de vérifier de manière fiable que chaque module fonctionne correctement après son intégration. Par exemple, dans le système utilisé dans les sondes Rosetta, Mars Express et Venus Express la ségrégation entre les différentes 25 générateurs photovoltaïques élémentaires composant les panneaux solaires a été sacrifiée dans la recherche d'une très grande efficacité énergétique. Un système génération d'énergie électrique MPPT permettant la ségrégation des différents générateurs individuels, et dont l'utilisation dans la sonde Bepi-Colombo est envisagée, est décrit dans le document FR 2 885 237.
30 Cependant, la tolérance aux pannes de ce système n'est pas entièrement satisfaisante, car une panne isolée peut déterminer la perte d'une section entière d'un panneau solaire.
2910141 3 Au contraire, les régulateurs de puissance couramment utilisés par l'industrie spatiale européenne présentent une très bonne ségrégation des modules générateurs et une résistance tout à fait satisfaisante aux pannes isolées. Ces systèmes de contrôle de puissance sont essentiellement le S3R 5 ( sequential switching shunt regulator , régulateur à dérivation à commutation séquentielle), décrit dans l'article The Sequential Switching Shunt Regulator S3R de D. O'Sullivan et A. Weinberg, Proceedings of the Third ESTEC Spacecraft Power Conditioning Seminar, Noordwijk, Pays-Bas, 21 û 23 septembre 1977, et le S4R ( sequential switching switchover shunt 10 regulator , régulateur à dérivation à commutation et permutation séquentielles), décrit dans le document FR 2 785 103. Cependant, ces régulateurs ne permettent pas la poursuite du point de fonctionnement à puissance maximale des générateurs photovoltaïques.
15 Un but de l'invention est donc de procurer un système de génération d'énergie électrique comprenant une pluralité de générateurs individuels et permettant la poursuite du point de fonctionnement à puissance maximale desdits générateurs tout en assurance une tolérance aux pannes satisfaisante et/ou une bonne ségrégation entre lesdits générateurs individuels.
20 Un autre but de l'invention est de procurer un tel système de génération d'énergie électrique, présentant de plus une bonne efficacité énergétique et/ou une structure modulaire et simple. Encore un autre but de l'invention est de procurer un tel système, permettant une intégration et une vérification modulaire, et une 25 détection aisée des erreurs d'assemblage. Conformément à l'invention, au moins un des buts précités est atteint par un système de génération d'énergie électrique comprenant : une pluralité de générateurs de courant continu montés en parallèle, reliés à une charge commune par l'intermédiaire de convertisseurs de tension continue 30 respectifs présentant une transconductance réglable ; et un régulateur configuré pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant ; caractérisé en ce que : lesdits générateurs sont 2910141 4 également reliés à une entrée commune d'un convertisseur de tension continue supplémentaire dont la sortie est à son tour reliée à ladite charge commune, ledit convertisseur de tension continue supplémentaire présentant également une transconductance réglable ; en ce que ledit régulateur est également 5 configuré pour régler la transconductance dudit convertisseur de tension supplémentaire de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant. Selon des modes de réalisation avantageux de l'invention : Les générateurs de courant continu peuvent être reliés à ladite 10 charge commune et à l'entrée commune dudit convertisseur de tension continue supplémentaire par l'intermédiaire de premiers et deuxièmes dispositifs unidirectionnels respectifs, isolant lesdits générateurs les uns des autres. Ladite charge commune peut être une charge capacitive.
15 Ladite charge commune peut être choisie parmi une barre de distribution de puissance et un dispositif de stockage d'énergie. Un élément capacitif peut être connecté en dérivation à l'entrée commune dudit convertisseur de tension continue supplémentaire. Lesdits générateurs de courant continu peuvent présenter des 20 caractéristiques de fonctionnement sensiblement identiques et ledit régulateur peut imposer une même transconductance auxdits convertisseurs de tension respectifs et audit convertisseur de tension supplémentaire. Ledit régulateur peut être adapté pour effectuer un contrôle en transconductance desdits convertisseurs de tension continue respectifs et dudit 25 convertisseur de tension continue supplémentaire. Ledit régulateur peut être adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs et dudit convertisseur de tension supplémentaire en fonction d'une valeur de tension prélevée à ladite entrée commune de ce dernier.
30 Ledit régulateur peut être adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs et dudit convertisseur de tension supplémentaire de manière à imposer une oscillation 2910141 5 permanente des points de fonctionnement desdits générateurs de courant continu autour de leurs points de puissance maximale. En variante, ledit régulateur peut être adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs et dudit 5 convertisseur de tension continue supplémentaire de manière à imposer une tension prédéfinie aux bornes desdits générateurs de courant continu, déterminée en fonction d'au moins une condition externe affectant le fonctionnement desdits générateurs. Lesdits convertisseurs de tension respectifs et ledit 10 convertisseur de tension supplémentaire peuvent être agencés pour se comporter comme des circuits ouverts en cas de panne simple. Lesdits générateurs de courant continu peuvent être des générateurs photovoltaïques. Le régulateur peut être configuré pour régler les 15 transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs et dudit convertisseur de tension continue supplémentaire de manière à : faire fonctionner lesdits générateurs de courant continu dans une région prédéfinie de leur caractéristique tension-courant en correspondance de laquelle la puissance électrique fournie par lesdits générateurs n'est pas maximale, 20 lorsque cette puissance électrique est suffisante pour alimenter ladite charge commune ; et à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant dans les autres cas. Selon une première variante de l'invention, ladite charge commune est une barre de distribution de puissance, de préférence régulée en 25 tension, et lesdits générateurs de courant continu sont également reliés à un dispositif de stockage d'énergie par l'intermédiaire d'au moins un régulateur de chargement branché en dérivation par rapport audit convertisseur de tension supplémentaire. Dans ce cas, ledit dispositif de stockage d'énergie peut être 30 avantageusement relié aux entrées desdits convertisseurs de tension respectifs, ces derniers étant agencés pour fonctionner en tant que régulateurs de déchargement pour alimenter ladite charge commune à partir dudit dispositif de stockage d'énergie. Avantageusement, ledit dispositif de stockage d'énergie 2910141 6 peut être relié aux entrées desdits convertisseurs de tension respectifs par l'intermédiaire d'au moins un troisième dispositif unidirectionnel empêchant à un courant de s'écouler desdites entrées vers ledit dispositif de stockage d'énergie.
5 Dans ce cas, en conditions de fonctionnement normal, la tension aux bornes dudit dispositif de stockage d'énergie est de préférence inférieure à celle aux bornes desdits générateurs de courant continu et supérieure à celle aux bornes de ladite charge commune. Selon une deuxième variante de l'invention, ladite charge 10 commune est un dispositif de stockage d'énergie, connecté pour alimenter une barre principale de distribution de puissance ; une barre secondaire de distribution de puissance est reliée à ladite entrée commune du convertisseur de tension continue supplémentaire par l'intermédiaire d'un régulateur de tension ; et l'entrée dudit régulateur de tension est également connectée audit 15 dispositif de stockage d'énergie par l'intermédiaire d'au moins un dispositif unidirectionnel empêchant à un courant de s'écouler de ladite barre secondaire de distribution de puissance vers ledit dispositif de stockage d'énergie. Avantageusement, le système peut comporter également un dispositif unidirectionnel disposé de manière à empêcher à un courant de 20 s'écouler de ladite barre secondaire de distribution de puissance vers ledit régulateur de tension. La barre principale de distribution de puissance peut en particulier être connectée pour alimenter des charges impulsives. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention 25 ressortiront à la lecture de la description faite en référence aux dessins annexés donnés à titre d'exemple, dans lesquels: - la figure 1 illustre le principe de la poursuite du point de fonctionnement à puissance maximale d'un générateur photovoltaïque ; - la figure 2 représente un schéma de principe de la 30 topologie du système de génération d'énergie électrique de la sonde Rosetta, connue de l'art antérieur ; 2910141 7 - la figure 3 représente un schéma de principe de la topologie du système de génération d'énergie électrique de la sonde Bepi-Colombo, également connue de l'art antérieur ; - la figure 4 représente un schéma de principe de la 5 topologie d'un système de génération d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente un schéma de principe de la topologie d'un système de génération d'énergie électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention ; et 10 - la figure 6 représente un schéma de principe de la topologie d'un système de génération d'énergie électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention. La figure 1 montre, en échelle semi-logarithmique, trois courbes caractéristiques tension/courant, CC1, CC2, CC3 d'un générateur 15 photovoltaïque pour des niveaux d'éclairement décroissants. Les trois courbes caractéristiques présentent une première partie dans laquelle le courant I est pratiquement indépendant de la tension V aux bornes du générateur, une deuxième partie dans laquelle la tension V est pratiquement indépendant du courant I et un coude reliant ces deux parties. On comprend aisément que, 20 pour les trois courbes caractéristiques, les points de puissance maximale MPP1, MPP2 et MPP3 sont situés en correspondance dudit coude. La courbe P2 en trait pointillé montre la dépendance de la puissance P=IV de la tension V pour le cas d'éclairement intermédiaire. Afin de faire fonctionner un générateur photovoltaïque en 25 correspondance de son point de puissance maximale, il est nécessaire de le relier à une charge ayant une impédance adaptée. Il est clair, en regardant la figure 1, qu'une charge permettant d'optimiser la puissance générée dans des conditions d'éclairement intermédiaire (courbe CC2) deviendra totalement inadaptée en cas de forte augmentation (CC1) ou diminution (CC3) de 30 l'éclairement. A cela s'ajoute la dépendance des courbes caractéristiques de la température des générateurs, et leur variation dans le temps à cause du vieillissement de ces derniers.
2910141 8 La technique MPPT, ou de poursuite du point de puissance maximale, consiste à faire varier l'impédance de charge d'un générateur photovoltaïque de manière à faire fonctionner ce dernier en correspondance de son point de puissance maximale. Cela est obtenu en connectant ledit 5 générateur à l'entrée d'un convertisseur de tension ayant une transconductance réglable, la sortie dudit convertisseur étant connectée à la charge à alimenter (barre de distribution de puissance ou batterie). Des systèmes permettant la mise en oeuvre de cette technique sont décrits, par exemple, dans les articles Electrical Power Subsystem of 10 Globalstar de W. Denziger, Fourth European Space Power Conference 1995 et Power Conditioning Unit for Rosetta ! Mars Express de H. Jensen et J. Laursen, Proceedings of the Sixth European Space Power Conference 2002, ainsi que dans les documents US 4,794,272, US 6,316,925 et FR2885237. La figure 2 montre un schéma simplifié du système modulaire 15 de génération d'énergie électrique développé pour la sonde Rosetta, dans lequel la ségrégation entre modules a été sacrifiée pour optimiser l'efficacité énergétique. Ce système comprend une pluralité de générateurs photovoltaïques individuels G1 - Gn connectés en parallèle. Les sorties de ces 20 générateurs sont reliées à une entrée commune EC d'un ensemble de six convertisseurs de tension continue montés en parallèle, MPPT1 - MPPT6, pilotés par un régulateur commun MPPT_REG afin de réaliser la poursuite du point de puissance maximale des générateurs. Les convertisseurs MPPT1 -MPPT6 sont dimensionnés de telle façon qu'en cas de défaillance de l'un 25 d'entre eux, les cinq restants peuvent gérer la pleine puissance du système ; comme la tension correspondant au point de fonctionnement à puissance maximale des générateur photovoltaïques (34 - 80 V) est supérieure à la tension de la barre de distribution de puissance du système (28 V), il s'agit de convertisseurs dévolteurs, ou Buck . Le régulateur MPPT_REG présente 30 une redondance à majorité, de manière à fournir auxdits convertisseur un signal de régulation fiable. Les sorties des convertisseurs sont reliées à une barre de distribution de puissance à tension régulée BUS, opérant à 28V et présentant une capacité C_BUS. La barre de distribution de puissance à 2910141 tension régulée BUS est également connectée à une batterie BATT par l'intermédiaire d'un régulateur de chargement BCR et d'un régulateur de déchargement BDR. L'inspection de la figure 2 montre qu'il suffit d'un court-circuit se 5 produisant dans un générateur G1-Gn pour court-circuiter tout l'ensemble de générateurs. De même, un court-circuit se produisant dans l'un des convertisseurs MPPT1 - MPPT6 est susceptible de court-circuiter la barre de distribution de puissance BUS. Certes, des diodes de protection pourraient être prévus en aval des générateurs G1 - Gn et des convertisseurs MPPT1 - 10 MPPT6, mais cela conduirait à une dégradation de l'efficacité énergétique. En tout cas, le fait de rajouter des diodes de protection dans un système de ce type ne permettrait pas de résoudre l'autre inconvénient principal de cette architecture, à savoir la difficulté de vérifier de manière fiable et modulaire le bon fonctionnement de chaque élément.
15 Dans le système de génération d'énergie électrique décrit dans le document FR 2 885 237, représenté sur la figure 3, la barre de distribution de puissance BUS est alimentée par une pluralité de générateurs photovoltaïques G1-Gn. Chaque générateur est connecté en série à une unité d'adaptation respective UA1 - UAn, comprenant un convertisseur de tension et 20 un régulateur associé pour la poursuite du point de puissance maximale des générateurs. Dans un tel système, la ségrégation des différentes sections peut être assurée en prévoyant un dispositif unidirectionnel (diode) à l'entrée et à la sortie de chaque unité d'adaptation, au prix d'une diminution de l'efficacité énergétique à cause de la dissipation de puissance dans lesdits dispositifs 25 unidirectionnels. Cependant, une panne se produisant dans une unité d'adaptation provoquerait la perte de la puissance fournie par le générateur correspondant, ce qui peut ne pas être acceptable notamment dans le cas de missions dirigées vers l'extérieur du système solaire. L'utilisation de régulateurs MPPT individuels pour chaque 30 générateur, qui augmente sensiblement la complexité du système, peut s'avérer nécessaire dans des conditions particulières, notamment si des différences importantes de température ou de niveau d'éclairement entre les générateurs photovoltaïques individuels sont prévues. 2910141 'o On voit donc qu'aucun système de génération d'énergie électrique avec poursuite du point de puissance maximale ne présente un niveau pleinement satisfaisant de tolérance aux pannes, associé à une bonne efficacité énergétique et à une structure modulaire et relativement simple.
5 La topologie d'un système de génération d'énergie électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention est représentée sur la figure 4. Ce système comprend une pluralité de générateurs de courant continu G1, G2 - Gn, généralement des générateurs photovoltaïques, montés 10 en parallèle et reliés à une charge commune CL par l'intermédiaire de convertisseurs de tension respectifs MPPT1 - MPPTn. La charge commune CL, représentée sur la figure par un condensateur, peut être une barre de distribution de puissance à tension régulée ou non régulée, ou bien un dispositif de stockage d'énergie tel qu'une batterie.
15 Les convertisseurs peuvent être de type dévolteur (Buck) ou survolteur, en fonction de l'application spécifique. Leur transconductance est réglable par un régulateur MPPT_REG afin de faire fonctionner les générateurs G1, G2 - Gn en correspondance de leur point de puissance maximale. Le régulateur MPPT_REG est unique pour tous les n convertisseurs de tension, 20 comme dans le cas du système de Rosetta. Il présente une redondance à majorité de manière à fournir un signal de régulation fiable. La technique de poursuite du point de puissance maximale mise en oeuvre par le régulateur MPPT_REG peut avantageusement être basée sur le principe perturbation et observation décrit dans l'article précité 25 Power Conditioning Unit for Rosetta / Mars Express de H. Jensen et J. Laursen. Cependant, d'autres techniques connues de l'art antérieur peuvent également être appliquées, comme par exemple celle décrite dans le document FR 2 885 237 précité. Une autre technique, particulièrement simple à mettre en oeuvre, consiste à piloter les convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn de 30 manière à asservir la tension aux bornes des générateurs G1 - Gn à des valeurs optimales prédéfinies et stockées dans une mémoire, lesdites valeurs optimales correspondant à différents niveaux d'éclairage et à différentes valeurs de température. Ces valeurs prédéfinies peuvent aussi prendre en 2910141 11 compte les effets du vieillissement des cellules photovoltaïques et toute autre condition externe affectant le fonctionnement desdits générateurs. Les sorties des convertisseurs MPPT1 - MPPTn sont reliées à la charge commune CL par l'intermédiaire de premiers dispositifs 5 unidirectionnels d'isolement (typiquement, des diodes) D1, D2 - Dn, afin d'éviter qu'un court-circuit dans l'un d'entre eux puisse court-circuiter ladite charge CL. En tout cas, pour des raisons qui seront rendues claires par la suite, il est préférable que les convertisseurs MPPT1 - MPPTn soient conçus de telle manière qu'une panne isolée les mette dans une condition de circuit ouvert, 10 dans laquelle ils ne sont traversés par aucun courant. Les générateurs GI - Gn sont également reliés, par l'intermédiaire de deuxièmes dispositifs unidirectionnels d'isolement (typiquement, des diodes) D'1, D'2 - D'n, à une entrée commune EC d'un convertisseur de tension continue supplémentaire MPPTn+1 dont la sortie est à 15 son tour reliée à ladite charge commune CL par une autre diode D'n+l. Le convertisseur de tension supplémentaire MPPTn+1 est du même type que les convertisseurs MPPT1 - MPPTn et sa transconductance est à son tour régulée par le régulateur MPPT_REG. Un condensateur CMPPT est connecté en dérivation à l'entrée 20 commune EC dudit convertisseur de tension continue supplémentaire MPPTn+l. La tension du point EC par rapport à la terre, et donc la tension aux bornes de CMPPT, est utilisé par le régulateur MPPT_REG pour déterminer la transconductance des convertisseurs MPPT1 - MPPTn+1. La valeur de capacité du condensateur CMPPT dépend du fonctionnement du régulateur 25 MPPT REG ; à titre d'exemple, avec un régulateur du type utilisé dans les sondes Rosetta et Globalstar, la capacité CMMPT doit dominer les capacités parasites de chaque générateur solaire individuel, et avoir donc une valeur de quelques pF. En conditions de fonctionnement normal, le courant fourni par 30 les générateurs G1-Gn se repartit uniformément entre les n+1 convertisseurs de tension MPPT1 -MPPTn et MPPTn+l. Par conséquent, les deuxièmes dispositifs unidirectionnels d'isolement D'1-D'n sont traversés seulement par une petite fraction (globalement 1/(n+1)) de ce courant et, de ce fait, leur 2910141 12 présence ne dégrade pas significativement l'efficacité énergétique du système. II est cependant important que lesdits dispositifs unidirectionnels restent à l'état conducteur, de manière à que la tension du point EC puisse coïncider (mise à part la petite chute de tension aux bornes de D'1 - D'n) avec la tension aux 5 bornes des générateurs G1 - Gn. On comprend que, grâce aux dispositifs unidirectionnels D1-Dn et D'1-D'n, les différentes sections du système sont isolées les unes des autres, dans le sens que la défaillance de l'une d'entre elles ne peut pas se propager aux autres.
10 De plus, et contrairement à ce qui se passe dans le cas du système décrit dans le document FR 2 885 237, la défaillance d'un convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn ne provoque pas la perte de la puissance fournie par le générateur correspondant G1-Gn. En effet, comme cela a été mentionné plus haut, les convertisseurs MPPT1 - MPPTn sont 15 agencés pour se comporter comme des circuits ouverts en cas de panne simple. Or, si un de ces convertisseurs se porte dans une condition de circuit ouvert, le courant fourni par le générateur correspondant passe simplement à travers le convertisseur supplémentaire MPPTn+1 qui est, lui aussi, commandé de manière à assurer le fonctionnement à puissance maximale dudit 20 générateur. Le système est donc résistant aux pannes isolées se produisant dans l'électronique de régulation de la puissance. Le système de la figure 4 peut être utilisé pour alimenter une barre de distribution de puissance à tension régulée ou non régulée.
25 Cependant, le mode de réalisation de l'invention de la figure 5 est mieux adapté au cas d'une barre de distribution de puissance à tension régulée. Dans ce mode de réalisation de l'invention, la charge commune alimentée par l'intermédiaire des convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn est une barre de distribution de puissance à tension régulée BUS, représentée 30 sur la figure par un condensateur. En outre le système comprend également un dispositif de stockage d'énergie (typiquement une batterie) BATT relié aux générateurs G1 - Gn par l'intermédiaire d'un régulateur de chargement BCR connecté au point EC et branché en dérivation par rapport au convertisseur de 2910141 13 tension supplémentaire MPPTn+1. Le régulateur de chargement BCR est redondant et présente un dispositif unidirectionnel d'isolement D" afin de protéger la batterie BATT de courts-circuits éventuels. La batterie BATT est à son tour reliée, toujours par 5 l'intermédiaire de troisièmes dispositifs unidirectionnels d'isolement (diodes) D"'1-D"'n, aux entrées des convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn, pour pouvoir alimenter la barre de distribution de puissance BUS à travers ces derniers, pilotés pour se comporter comme des régulateur de déchargement conventionnels, lorsque la puissance fournie par les générateurs G1-Gn est 10 insuffisante. On évite ainsi d'avoir à prévoir des régulateurs de déchargement séparés. Les n dispositifs unidirectionnels d'isolement D"'1-D""n pourraient également être remplacés par un dispositif unidirectionnel unique, disposé entre la batterie BATT et les branchements des entrées des 15 convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn. Cette solution est cependant moins avantageuse, car il faudrait une diode de grande puissance, qui provoquerait des pertes importantes et serait sujette à des problèmes de dissipation ponctuels. Le fonctionnement d'un système de génération de puissance 20 photovoltaïque selon la figure 5 lors d'une transition d'une condition d'éclipse à une de plein ensoleillement seradécrit ci-après. Pour ce faire, on supposera que la tension aux bornes de la batterie BATT est inférieure à celle aux bornes des générateurs G1-Gn et supérieure à la tension de la barre de distribution de puissance BUS. Par exemple, on peut considérer une tension de la barre de 25 distribution de puissance BUS fixée à 28V, une tension de batterie comprise entre 30 et 40V et des générateurs G1-Gn dont le point de fonctionnement à puissance maximale correspond à une tension comprise entre 40 et 80V. En fait, ce qui est surtout important est que la tension de fin de chargement de la batterie soit à tout moment inférieure à la tension de fonctionnement à 30 puissance maximale VMPP des générateurs G1-Gn. En conditions d'éclipse, les générateurs photovoltaïques G1-Gn ne fournissent pas de courant, et la barre de distribution de puissance BUS est entièrement alimentée par la batterie BATT par l'intermédiaire des 2910141 14 convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn qui sont pilotés par le régulateur MPPT REG de manière à se comporter comme des régulateurs de _ déchargement ; la tension du point EC est sensiblement égale à la tension de chargement de la batterie BATT. En cas de défaillance de l'un de ces 5 convertisseurs de tension, la fraction correspondante du courant fourni par la batterie passe par le convertisseur supplémentaire MPPTn+1. Quand le soleil réapparaît, les générateurs photovoltaïques G1-Gn commencent à fournir du courant, qui s'ajoute au courant de la batterie. Cependant, la tension du point EC reste égale à celle de la batterie BATT, par 10 conséquent lesdits générateurs ne fonctionnent pas à puissance maximale. A la sortie de l'éclipse, il est nécessaire de découpler la batterie BATT de la barre de distribution de puissance BUS et d'activer la poursuite du point de puissance maximale des générateurs photovoltaïques. Pour ce faire, il est possible d'interrompre le drainage de courant par les convertisseurs de 15 tension MPPT1 - MPPTn pendant un temps très court, typiquement de l'ordre quelques dizaines de microsecondes : dans ces conditions, le courant fourni par les générateurs est entièrement utilisé pour charger le condensateur CMPPT ; la tension du point EC augmente au-dessus de la tension de la batterie BATT et polarise inversement les diodes D"'1-D"'n. Lorsque les 20 convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn reprennent à conduire du courant, la batterie BATT est découplée du point EC, et le régulateur MPPT_REG peut démarrer la poursuite du point de puissance maximale des générateurs G1-Gn. A titre d'exemple, on considère un système comportant 10 générateurs photovoltaïques fournissant chacun un courant de 3A (on 25 remarque qu'à la tension de la batterie, les générateurs G1-G10 se trouvent dans leur région de fonctionnement à courant constant, il fournissent donc leur courant maximal IMAx>IMPP). Si la capacité du condensateur CMPPT est de 5pF, à laquelle s'ajoute une capacité parasite de 1 pF par générateur, on trouve qu'une variation de 40V la tension du point EC peut être obtenue en 20 ps 30 seulement. Pendant ce temps de 20 ps, la tension de la barre de distribution de puissance BUS varie très peu : en supposant que sa tension 2910141 15 nominale soit de 28V et son courant maximal de 60A, avec une capacité de la barre de 2mF, la variation de tension est de 0,6 V au maximum. Une transition plus douce peut être obtenue en agissant de manière séquentielle sur les différentes sections. Initialement, on désactive le 5 convertisseur de tension supplémentaire MPPTn+1, de manière à permettre à la tension du point EC d'augmenter librement. Ensuite, on interrompt pendant un court instant le premier convertisseur MPPT1, ce qui provoque une augmentation de la tension du point EC suffisante pour polariser inversement les diodes D'1-D'n. A ce point, le premier générateur G1 peut effectuer la 10 transition vers son point de puissance maximale. Puis, on réactive le premier convertisseur MPPT1 et on désactive le deuxième, et ainsi de suite. Cette variante permet de réduire considérablement la capacité du condensateur de la barre de distribution de puissance BUS. Une troisième méthode consiste à diminuer de manière 15 transitoire le courant fourni à la charge alimentée par la barre de distribution de puissance BUS. Dans des nombreuses missions, surtout scientifiques, à la sortie d'une période d'éclipse une grande partie de la puissance disponible est affectée à une résistance de chauffage. Déconnecter cette résistance pendant quelques secondes a un effet thermique tout à fait négligeable et permet de 20 découpler la batterie de manière très fiable. Diminuer le courant fourni à la charge peut constitué une méthode de découplage de réserve à utiliser si, à cause d'un disfonctionnement, la batterie continue à être couplée à la barre de distribution de puissance après la sortie de l'éclipse. Lors du passage d'une condition d'ensoleillement à une 25 éclipse, le passage du régime dans lequel la barre de distribution de puissance BUS est alimentée par les générateurs photovoltaïque à celui dans lequel elle est alimentée par la batterie se fait de manière spontanée. Avec la diminution de l'éclairement, la tension aux bornes des générateurs, et donc au point EC, diminue jusqu'à atteindre celle de la batterie. A ce point, les diodes D"'1-D"'n 30 deviennent conductrices et la batterie BATT peut se décharger à travers les convertisseurs de tension MPPT1 - MPPTn. On observe que le système selon ce mode de réalisation de l'invention présente trois avantages importants par rapport à une topologie 2910141 16 traditionnelle dans laquelle la batterie est chargée à partir de la barre de distribution de puissance BATT. Premièrement, le régulateur de chargement BCR peut être réalisé sous la forme d'un convertisseur de tension continue du même type que MPPT1 - MPPTn et MPPTn+1, ce qui simplifie la conception du 5 système et augmente sa modularité. Deuxièmement, l'efficacité énergétique est augmentée, car la batterie est rechargée directement par les générateurs photovoltaïques : il y a donc une seule étape de conversion de tension, au lieu de deux (entre les générateurs et le bus et entre le bus et la batterie). Enfin, le régulateur de chargement BCR peut être du type dévolteur, alors que 10 conformément à l'art antérieur, le chargement de la batterie nécessite d'une étape d'élévation de tension, moins efficace. En variante, dans le cas d'une batterie de faible capacité, le chargement peut s'effectuer sans régulateur BCR, simplement en déviant dans la batterie le courant qui traverse l'un des convertisseurs MPPT1-MPPTn, à 15 l'aide d'un sélecteur monté à la sortie de ce dernier. Le troisième mode de réalisation de l'invention, représenté sur la figure 6, est particulièrement adapté lorsque la plupart de l'énergie est consommé par une charge pulsée, telle qu'un radar ou un système de propulsion électrique.
20 Dans ce mode de réalisation, les générateurs photovoltaïques G1-Gn sont connectés pour charger, par l'intermédiaire des convertisseurs de tension associés MPPt1-MPPT, une batterie BATT alimentant une barre principale de distribution de puissance BUS, à laquelle est associée la charge pulsée L.
25 Le système de la figure 6 comporte également une barre de distribution de puissance secondaire BUS', pour alimenter les autres charges. Cette barre de distribution de puissance secondaire BUS' est à son tour alimentée par les générateurs photovoltaïques G1-Gn par l'intermédiaire d'un régulateur de tension REG connecté au point EC. Le régulateur REG présente 30 une redondance active et comporte une diode de protection D"" à sa sortie. Pour assurer l'alimentation de la barre de distribution de puissance secondaire BUS' en conditions d'éclipse, l'entrée dudit régulateur de tension REG est également connectée à la batterie BATT de la barre principal 2910141 17 de distribution de puissance BUS par l'intermédiaire d'une diode de protection D"' empêchant au courant de s'écouler de ladite barre secondaire de distribution de puissance BUS' vers la batterie BATT. Dans ce mode de réalisation aussi, tous les convertisseurs de 5 tension MPPT1-MPPTn, MPPTn+1 et REG peuvent être du même type. Dans tous les cas de figure, il n'est pas toujours nécessaire que les générateurs G1-Gn fonctionnent en correspondance de leur point de puissance maximale : dans des conditions de fort éclairement ou de faible consommation d'énergie, un fonctionnement non optimal peut suffire pour 10 fournir toute la puissance électrique requise par la charge commune CL. Par conséquent, d'une manière connue en soi, lorsque la puissance nécessaire pour alimenter les appareils embarqués et éventuellement recharger la batterie est inférieure à la puissance maximale du système de génération, le régulateur MPPT REG contrôle la transconductance des convertisseurs MPPT1 - MPPTn 15 et MPPTn+1 de manière à faire fonctionner les générateurs dans la partie à courant constant ou à tension constant de leur courbe caractéristique, selon la topologie desdits convertisseurs. Bien que la description de l'invention ait été faite en référence à un système de génération d'énergie de type photovoltaïque et destiné à des 20 applications spatiales, il faut comprendre qu'il ne s'agit nullement d'une limitation. L'invention peut être appliqué de manière avantageuse à tout système de génération d'énergie, et en particulier à des systèmes comportant une batterie de secours, lorsqu'on souhaite maximiser l'efficacité de génération tout en assurant une conception modulaire et une grande fiabilité. 25
Claims (21)
1. Un système de génération d'énergie électrique comprenant : - une pluralité de générateurs de courant continu (G1-Gn) montés en parallèle, reliés à une charge commune (CL, BUS, BATT) par l'intermédiaire de convertisseurs de tension continue respectifs (MPPT1-MPPTn) présentant une transconductance réglable ; et - un régulateur (MPPT_REG) configuré pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant (G1-Gn) ; caractérisé en ce que : - lesdits générateurs (G1-Gn) sont également reliés à une entrée commune (EC) d'un convertisseur de tension continue supplémentaire (MPPTn+1) dont la sortie est à son tour reliée à ladite charge commune (CL, BUS, BATT), ledit convertisseur de tension continue supplémentaire (MPPTn+1) présentant également une transconductance réglable ; en ce que - ledit régulateur (MPPT_REG) est également configuré pour régler la transconductance dudit convertisseur de tension supplémentaire (MPPTn+1) de manière à maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant (G1-Gn).
2. Un système de génération d'énergie électrique selon la revendication 1, dans lequel les générateurs de courant continu (G1-Gn) sont reliés à ladite charge commune (CL) et à l'entrée commune (EC) dudit convertisseur de tension continue (MPPTn+1) supplémentaire par l'intermédiaire de premiers (D1-Dn) et deuxièmes (D'l-D'n) dispositifs unidirectionnels respectifs, isolant lesdits générateurs (G1-Gn) les uns des autres.
3. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite charge commune (CL) est une charge capacitive. 2910141 19
4. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite charge commune (CL) est choisie parmi une barre de distribution de puissance (BUS) et un dispositif de stockage d'énergie (BATT). 5
5. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel un élément capacitif (CMPPT) est connecté en dérivation à l'entrée commune dudit convertisseur de tension continue supplémentaire.
6. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une 10 des revendications précédentes, dans lequel lesdits générateurs de courant continu (G1-Gn) présentent des caractéristiques de fonctionnement sensiblement identiques et dans lequel ledit régulateur (MPPT_REG) impose une même transconductance auxdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) et audit convertisseur de tension supplémentaire 15 (MPPT-n+1).
7. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit régulateur (MPPT_REG) est adapté pour effectuer un contrôle en transconductance desdits convertisseurs de tension continue respectifs (MPPT1-MPPTn) et dudit convertisseur de 20 tension continue supplémentaire (MPPT-n+1).
8. Un système de génération d'énergie électrique selon la revendication 7, dans lequel ledit régulateur (MPPT_REG) est adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) et dudit convertisseur de tension continue supplémentaire 25 (MPPT-n+1) en fonction d'une valeur de tension prélevée à ladite entrée commune (EC) de ce dernier.
9. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit régulateur (MPPT_REG) est adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension 30 respectifs (MPPT1-MPPTn) et dudit convertisseur de tension continue supplémentaire (MPPT-n+1) de manière à imposer une oscillation permanente des points de fonctionnement desdits générateurs de courant continu (G1-Gn) autour de leurs points de puissance maximale (MPP). 2910141 20
10. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel ledit régulateur (MPPT_REG) est adapté pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) et dudit convertisseur de tension continue supplémentaire 5 (MPPT-n+1) de manière à imposer une tension prédéfinie aux bornes desdits générateurs de courant continu (G1-Gn), déterminée en fonction d'au moins une condition externe affectant le fonctionnement desdits générateurs.
11. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits convertisseurs de tension 10 respectifs (MPPT1-MPPTn) et ledit convertisseur de tension continue supplémentaire (MPPT-n+1) sont agencés pour se comporter comme des circuits ouverts en cas de panne simple.
12. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel lesdits générateurs de courant 15 continu (G1-Gn) sont des générateurs photovoltaïques.
13. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel le régulateur (MPPT_REG) est configuré pour régler les transconductances desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) et dudit convertisseur de tension continue 20 supplémentaire (MPPTn+1) de manière à : - faire fonctionner lesdits générateur de courant continu (G1-Gn) dans une région prédéfinie de leur caractéristique tension-courant en correspondance de laquelle la puissance électrique fournie par lesdits générateurs (G1-Gn) n"est pas maximale, lorsque cette puissance électrique 25 est suffisante pour alimenter ladite charge commune (CL, BUS, BATT) ; - maximiser la puissance engendrée par lesdits générateurs de courant (G1-Gn) dans les autres cas.
14. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications précédentes, dans lequel 30 - ladite charge commune (BUS) est une barre de distribution de puissance ; et - lesdits générateurs de courant continu (G1-Gn) sont également reliés à un dispositif de stockage d'énergie (BATT) par 2910141 21 l'intermédiaire d'au moins un régulateur de chargement (BCR) branché en dérivation par rapport audit convertisseur de tension supplémentaire (MPPT-n+1).
15. Un système de génération d'énergie électrique selon la 5 revendication 14, dans lequel ladite charge commune (BUS) est une barre de distribution de puissance régulée en tension.
16. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une des revendications 14 ou 15, dans lequel ledit dispositif de stockage d'énergie (BATT) est relié aux entrées desdits convertisseurs de tension respectifs 10 (MPPT1-MPPTn), ces derniers étant agencés pour fonctionner en tant que régulateurs de déchargement pour alimenter ladite charge commune (BUS) à partir dudit dispositif de stockage d'énergie (BATT).
17. Un système de génération d'énergie électrique selon la revendication 16, dans lequel ledit dispositif de stockage d'énergie (BATT) est 15 relié aux entrées desdits convertisseurs de tension respectifs (MPPT1-MPPTn) par l'intermédiaire d'au moins un troisième dispositif unidirectionnel (D"'1-D"'n) empêchant à un courant de s'écouler desdites entrées vers ledit dispositif de stockage d'énergie (BATT).
18. Un système de génération d'énergie électrique selon la 20 revendication 16 ou 17, dans lequel, en conditions de fonctionnement normal, la tension aux bornes dudit dispositif de stockage d'énergie (BATT) est inférieure à celle aux bornes desdits générateurs de courant continu (G1-Gn) et supérieure à celle aux bornes de ladite charge commune (BUS).
19. Un système de génération d'énergie électrique selon l'une 25 des revendications 1 à 13, dans lequel : - ladite charge commune est un dispositif de stockage d'énergie (BATT), connecté pour alimenter une barre principale de distribution de puissance (BUS) ; - une barre secondaire de distribution de puissance (BUS') 30 est reliée à ladite entrée commune (EC) du convertisseur de tension continue supplémentaire (MPPTn+1) par l'intermédiaire d'un régulateur de tension (REG) ; et 2910141 22 l'entrée dudit régulateur de tension (REG) est également connectée audit dispositif de stockage d'énergie (BATT) par l'intermédiaire d'au moins un dispositif unidirectionnel (D') empêchant à un courant de s'écouler de ladite barre secondaire de distribution de puissance vers ledit dispositif de 5 stockage d'énergie (BATT).
20. Un système de génération d'énergie électrique selon la revendication 19, comportant également un dispositif unidirectionnel (D) disposé de manière à empêcher à un courant de s'écouler de ladite barre secondaire de distribution de puissance (BUS') vers ledit régulateur de tension 10 (REG).
21. Un système de génération électrique selon la revendication 19 ou 20, dans lequel la barre principale de distribution de puissance (BUS) est connectée pour alimenter des charges impulsives (L). 15
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