WO2017089686A1 - Convertisseur continu-continu et architecture électrique associée - Google Patents

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power
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Thierry Meynard
Guillaume Fontes
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Institut National Polytechnique de Toulouse INPT
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    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Definitions

  • the invention relates to a DC-DC converter.
  • the invention relates to a DC-DC converter intended to be connected to a plurality of chains each comprising a plurality of non-linear electronic components arranged in series, of the photovoltaic module type, light-emitting diodes, batteries, supercapacitors, etc.
  • Non-linear electronic or electrochemical components such as photovoltaic modules, light-emitting diodes, batteries, supercapacitors, etc. are frequently used in electrical circuits in the form of chains each comprising a plurality of these components (generally of the same type), connected in series. Several of these chains are then connected via a DC-DC electrical converter to a DC bus, allowing either the supply of the electronic or electrochemical components if these components consume energy (for example light-emitting diodes, batteries or supercapacitors when their charge, etc.), ie the transmission of energy from the components to a supply network, if these components are energy generators (for example photovoltaic modules, batteries or supercapacitors during discharge, etc. .).
  • energy for example light-emitting diodes, batteries or supercapacitors when their charge, etc.
  • each chain is connected to a DC-DC converter so that the operating point of each chain can be adjusted independently, which makes it possible to adapt this operating point to the differences in the characteristics of the components of each chain, of their aging. and / or their sunshine in the case of photovoltaic modules.
  • Each converter thus processes all the power generated or received by each string.
  • insulated gate bipolar transistors which have a relatively low cost but a moderate efficiency due, on the one hand, to the presence of a cut-off threshold. on-state voltage which does not minimize conductive losses and on the other hand relatively high switching losses, or insulated gate field effect transistors (MOSFETs for Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) which do not have an on-state voltage threshold and reduced switching losses, thus enabling a higher efficiency, but a higher cost.
  • the inventors have therefore sought to provide a DC-DC converter which solves at least some of the disadvantages of known DC-DC converters.
  • the invention aims to overcome at least some of the disadvantages of known DC-DC converters.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment of the invention, a DC-DC converter having a high efficiency.
  • the invention also aims to provide, in at least one embodiment, a DC-DC converter having a low cost.
  • the invention also aims to provide a new architecture implementing nonlinear component chains.
  • the invention relates to a two-stage DC-DC converter adapted to be connected on the one hand to at least two power transmission / reception channels comprising a plurality of non-linear electronic or electrochemical components arranged in series, and on the other hand to an external bus receiver / power transmitter, and intended to ensure a power exchange between each string and the external bus, characterized in that it comprises:
  • a first stage comprising, for each chain, a continuous-DC sub-converter connected to said chain, each sub-converter DC-DC converter comprising at least one switching cell and being controlled by a control device to reach a point of operation of said chain,
  • an intermediate bus to which each DC-DC sub-converter is connected, and comprising at least one capacitor adapted to be charged with a predetermined voltage between its terminals, a second stage comprising at least one shared arm connected on the one hand to the intermediate bus; and on the other hand to the external bus and controlled by a duty cycle adjustment signal determined so as to regulate the voltage of the intermediate bus so that the balance of the power flowing at the intermediate bus is zero.
  • a DC-DC converter according to the invention therefore allows an exchange of all the power (generated or consumed) at a chain of electronic or electrochemical components (also called nonlinear dipoles) by means of a sub-component.
  • DC-DC converter sized for only a portion of the power exchanged between the chain and the external bus. This exchanged power is either transmitted (ie generated) by the chain and received by the external bus to feed an external load (for example for strings whose components are photovoltaic modules), or transmitted by an external source, transmitted by the bus external and received (ie consumed) by the chain (for example for chains whose components are light-emitting diodes).
  • an external load for example for strings whose components are photovoltaic modules
  • an external source transmitted by the bus external and received (ie consumed) by the chain
  • they can be in turn power transmitter (power a load) or power receiver (battery recharge).
  • Each continuous-DC sub-converter can thus be dimensioned for only a portion of the power exchanged by a chain, in particular a reduced portion of the power exchanged by a chain, thus requiring less expensive components, less bulky and with better yields.
  • the DC-DC converters of the prior art which are each dimensioned for all the power exchanged by a chain.
  • the solution proposed here is well adapted when the part of the exchanged power which is common to the different chains represents a large part of the power exchanged (preferably about 90%), and that the difference between the powers of the different chains represents a smaller part of the power exchanged (preferably about 10%); in other words when the ratio of the difference between the maximum power and the minimum power of the chains on the average power is much lower than 1.
  • This difference (or dispersion) of power is for example due to a difference in aging of the components, a difference sunshine for photovoltaic modules, etc.
  • the aging of the components and the sunshine are generally more or less uniform for the components of the same chain, which explains why this power difference is generally less than or equal to 10%.
  • the difference may also be due to the use of different technology components from one channel to another, or the difference may appear after a maintenance operation with replacement of only some channels.
  • the shared arm then makes it possible to compensate for the powers exchanged by all the chains and the intermediate bus, so that the power budget at the intermediate bus is zero.
  • the power distribution between the different channels can thus be imposed by adapting the command used to control the different sub-converters to the particular requirements of the application; for example looking for maximum power point for photovoltaic modules, balancing currents or powers for light-emitting diodes, voltage balancing for electrochemical devices, etc.
  • the converter thus makes it possible to create a dipole which sees terminals of the external bus behaves as a single source while choosing a power distribution law between different chains of slightly different characteristics.
  • the shared arm is controlled so that the sum of the powers provided (respectively consumed) by all the sub-converters of the first stage and the power consumed (respectively provided) by the converter, or pooled arm, of the second stage is zero , so that the voltage across the capacitor (s) of the intermediate bus remains constant and regulated to a value which makes it possible to have the necessary adjustment range (greater than or equal to the difference between the largest and the smallest of the tensions different channels).
  • each sub-converter is in turn configured to control the sub-converters so as to reach the optimum operating point of the chain which can be determined according to several different criteria. For example, when the electronic components are photovoltaic modules, the criterion is to maximize the power provided by each string. Other criteria can be applied, for example to equalize the voltages across all the chains, the currents passing through the chains, the charge levels of batteries or supercapacitors, etc.
  • the sub-converter may also comprise other electronic components, for example a magnetic filtering component, such as a coil.
  • control device of the first stage is adapted to determine an optimum voltage to be added or subtracted at the terminals of each chain and the second stage makes it possible to cancel the power budget at the level of the intermediate bus allowing the first stage to ensure optimum voltage distribution.
  • each DC-DC sub-converter of the first stage is equivalent to a variable voltage source which can be set so as to reach the operating point of the chain connected to it, thereby permitting optimize the power exchange conditions with the external bus.
  • each continuous-DC sub-converter comprises at least two switches controlled by the control device and forming the switching cell, a first switch being adapted to increase the portion of the voltage across the chain and a second switch being adapted to reduce the portion of the voltage across the chain.
  • control device allows the control of the two switches so as to regulate the voltage across the sub-converter in order to approach the optimal voltage, according to a different criterion depending on the nature of the chains and the application of the converter, as previously described with reference with the optimum operating point.
  • each controlled switch is adapted to receive a pulse-width modulation (PWM or PWM) control signal that is determined and transmitted by the control device.
  • PWM pulse-width modulation
  • the variations of voltages allowed by the control of the two switches are thus regulated via a variation of the duty cycle of the signal M LI.
  • the shared arm comprises at least two switches controlled by the control device, configured to regulate the voltage of the intermediate bus so that the balance of the power exchanged at the intermediate bus is zero.
  • the regulation of the intermediate bus voltage is obtained by controlling the two controlled switches forming the mutualized arm thus making it possible to compensate for the different powers generated or consumed at the level of the continuous sub-converters. In steady state, the voltage of the intermediate bus is thus constant.
  • the invention also relates to an electrical architecture, characterized in that it comprises a DC-DC converter according to the invention and at least two chains composed of a plurality of non-linear electronic or electrochemical components arranged in series, connected to the DC converter. -continued.
  • the electronic components are photovoltaic modules adapted to supply electrical power to an external bus via the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is used to ensure power exchange between photovoltaic module chains generating an electrical power by capturing solar energy, and a bus receiving this power in order to retransmit it, for example an inverter supplying an electricity distribution network.
  • Photovoltaic modules generally have a relatively low voltage at their terminals and are therefore arranged in series in the form of a chain to obtain a higher voltage. Due to variations in sunshine depending on the time of day, the weather conditions and the presence of shadows, and because of the non-linear current / voltage characteristic of the photovoltaic modules, the maximum power of each channel is variable and different. other chains connected to the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter according to the invention thus makes it possible, in this electrical architecture, to maximize the power generated by each chain without affecting the performance of the other chains.
  • the electronic components are light-emitting diodes adapted to consume an electric power transmitted by an external bus via the DC-DC converter.
  • the DC-DC converter is used to provide power exchange between a bus transmitting electrical power from, for example, an external source, and light-emitting diode chains consuming this electrical power.
  • Electroluminescent diodes are often associated in a chain to allow their common power supply when a large number of light-emitting diodes is used, for example for a high-power lighting device (public lighting or stadium lighting). Since the diodes may have slightly different current / voltage characteristics or wear that degrades its performance, the DC-DC converter allows the power, current, or voltage supplied to the light-emitting diodes to be balanced to improve performance and service life. or any other relevant parameter.
  • the electrochemical components are batteries or supercapacitors adapted to receive power in order to store the associated energy during a charge and to restore the energy by generating a power during a discharge.
  • the invention also relates to a DC-DC converter and a architecture characterized in combination by all or some of the features mentioned above or hereafter.
  • FIG. 1 is a schematic representation of an electrical architecture according to a first embodiment of the invention
  • FIG. 2 is a schematic representation of an electrical architecture according to a second embodiment of the invention.
  • FIG. 3 is a simplified representation of the electrical architectures according to the first and second embodiments
  • Figure 4 is a schematic representation of an electrical architecture according to a third embodiment of the invention.
  • FIG. 1 shows schematically an electrical architecture 10 according to a first embodiment of the invention.
  • the electrical architecture comprises a DC-DC converter 12 according to one embodiment of the invention, connected on the one hand to an external bus 14, and on the other hand to a plurality of chains, including three PVi, PV 2 chains. , PV n , are represented, each chain comprising a plurality of electronic or electrochemical components.
  • the chain comprises, in this embodiment, several electronic components, only one of which is shown.
  • the electronic components of each PVi-PV chain n are, in this embodiment, photovoltaic modules, generating power by converting the solar energy received on the surface of the modules into electrical energy.
  • the DC-DC converter 12 includes a first stage comprising for each PVi-PV chain n a DC-DC sub-converter 18a, 18b, 18c connected to said chain.
  • the DC-DC sub-converters 18a, 18b, 18c are connected to an intermediate bus and to a second stage embodied here in the form of a single shared arm whose output is connected to the external bus 14.
  • the intermediate bus comprises a branch 24 and a lower branch.
  • Each chain comprises two terminals, a negative terminal, connected directly to the other negative terminals of the other chains and to a negative terminal of the bus 14 (represented by the sign '-') via a direct link 22, and a so-called positive terminal. connected to the continuous sub-converter of said chain.
  • each PVi-PV channel n connections of each PVi-PV channel n to the DC-DC converter 12 and to the bus 14 allow the exchange of a power, said power exchanged, between each PVi-PV channel n and the bus 14.
  • this exchange is carried out by each PVi-PV chain n which emits / generates the power towards the bus which receives it.
  • the power transfer can be carried out in the opposite direction with the same electronic scheme.
  • the DC-DC converter 12 makes it possible to transfer channels to the external bus 14 with a total power which depends on these sources and makes it possible to impose the distribution of the power between the different channels.
  • the sub-converters 18a, 18b, 18c, DC-DC each comprise, in this embodiment, a magnetic filtering component such as a coil Li, L 2 , L n connected on the one hand to the chain and on the other hand two controlled switches, a first switch Tu, T 2 i, T n i controlled and a second switch T 12 , T 22 , T n2 controlled, forming a switching cell.
  • the shared arm 20 also comprises, in this embodiment, a coil L connected to the bus 14 and to two controlled switches T c i and T c 2 .
  • the first switches Tu, T 2 i, T n i, T c i ordered sub-converters and the shared arm are all electrically connected to the upper branch 24 of the intermediate bus, and the second controlled switches T 12 , ⁇ 22 , ⁇ ⁇ 2 , T c 2 of the sub-converters and the shared arm are all electrically connected to the lower branch 26 of the intermediate bus.
  • the continuous converter 12 also comprises at least one capacitor, in this case a capacitor Ci, C 2 , C n , by a DC-DC sub-converter 18a, 18b, 18c, of which a so-called positive terminal is connected to the upper branch and a terminal said negative is connected to the lower branch 26.
  • the capacitors Ci, C 2 , C n are also part of the intermediate bus.
  • a single capacitor C c is connected to the intermediate bus between the upper and lower branches, for a similar operation.
  • the capacitor or capacitors are charged, prior to the exchange of power by the DC-DC converter, with a predetermined voltage between their terminals, for example by means of an external source (not shown), or by previously applying a particular command sequence to the controlled switches.
  • FIG. 2 diagrammatically represents an electrical architecture 10 according to a second embodiment of the invention.
  • each continuous-DC sub-converter 18a, 18b, 18c of the first stage and the mutualized arm 20 constituting the second stage comprise two controlled switches, a first switch T, T 21 , T n1 , T C1 controlled and a second switch T 12, T 22, T n2, controlled T c2, and Ci, capacitor C 2, C n, C comprising a said positive terminal and a negative said terminal.
  • Each string is connected to the negative terminal of a capacitor Ci, C 2, C n and a second switch Ti 2, T 22, T n2 controlled.
  • the shared arm 20 also comprises, in this embodiment, a capacitor C connected, firstly to a first controlled switch T c i and secondly to a second controlled switch T c2 and the bus 14.
  • each capacitor Ci, C 2 , C n , C is connected to the first switches Tu, T 2 i, T n i, T c i controlled and to the positive terminals of the other capacitors via the upper branch 26 of the intermediate bus.
  • each sub-converter 18a, 18b, 18c are connected via a coil Li, L 2 , L n to the two switches of the shared arm via the lower branch 24 of the intermediate bus and a filter 30.
  • the filter may be absent and the coils Li, L 2 , L n connected directly to the pooled arm.
  • FIG 3 shows schematically an architecture 10 according to the first or second embodiment of the invention shown in Figures 1 and 2.
  • Each PV PV n chain is thus connected to a source V 1 (V 2, .. V n variable voltage for adapting the voltage across each PVi-PV chain n according to the optimal voltage calculated by the control device to distribute power on the various channels appropriately.
  • V 1 V 2, .. V n variable voltage for adapting the voltage across each PVi-PV chain n according to the optimal voltage calculated by the control device to distribute power on the various channels appropriately.
  • the upper equipotential corresponds to the equipotential 26 of Figures 1 and 2.
  • V n of variable voltage are implemented, in the first and second embodiments, by controlling the controlled switches of each sub-converter 18a, 18b, 18c continuous-DC, the pooled arm allowing him to adjust the average bias point of all the arms of the first stage and cancel the power seen by the intermediate bus.
  • FIG. 4 diagrammatically represents an electrical architecture 10 according to a third embodiment of the invention, connected to a bus 14 to which an inverter 28 is connected.
  • This third embodiment is close to the first embodiment shown with reference to FIG. 1, but comprising a single capacitor in the DC-DC converter instead of a capacitor per DC-DC sub-converter.
  • the architecture comprises n chains, of which three PV ⁇ PV 2 and PV n chains are represented, and each chain comprises a plurality of electronic components, here photovoltaic modules, of which three are represented.
  • Each PVi-PV n chain is connected in parallel with a capacitor C pv.
  • the chains are connected directly to a DC bus 14, represented here by a capacitor C dc .
  • Each chain is connected, via a coil Li, L 2 , L n crossed by a current i L1 , i L2 , i Ln , two controlled switches, a first switch Tu, T 2 i, T n i ordered and a second switch T 12 , T 22 , T n2 controlled, a DC-DC sub-converter.
  • the controlled switches are IGBT transistors accompanied by Du diode, Di 2, D 2 i, D 22 - D n i D n 2, and controlled at their gates and allowing or preventing the passage of current between their collectors and their transmitters or between their transmitters and their collectors (on state or off state).
  • the control device of the PV chain n measures the voltage v pvn at the terminals of the chain PV n and the power delivered by the chain PV n .
  • the device determines the voltage to be reached at each iteration of the algorithm, called the reference voltage, to approach the operating point of the chain.
  • the device determines the command to be applied to the controlled switches.
  • Both switches T n i, T n2 controlled PV n channel receive opposite orders, that is to say, if the first switch T n i is controlled in the on state, the second switch is controlled T n2 in the blocked state, and if the first switch T n i is controlled in the off state, the second switch T is controlled in the on state.
  • the two switches T c i, T c 2 of the shared arm work in the same way.
  • the control signals of the first switches Tu, T 2 i, T n i controlled by the DC-DC sub-converters are referenced S, S 2 , ..., S n
  • the control signals of the second T 12 , T 22 , T n2 controlled switches of the DC-DC sub-converters are referenced S, S 2 , ..., S n
  • the control signals of the shared arm are S c for the first switch T c i and S c for the second switch T c2 .
  • Vp Vn the voltage at the terminals of the chain PV n , L the inductance of the coil L n , i Ln the intensity of the current flowing through the coil L n , R
  • the duty ratio D is a continuous signal in the range [-1; +1], obtained by controlling the switches controlled according to the three situations described above, and making it possible to represent the average voltage value obtained across the capacitor during a time interval.
  • the duty ratio D takes a particular value +1 if the switches are in the first situation during the entire time interval, 0 if the switches are in the third situation during the entire time interval and -1 if the switches are in the second situation during the entire time interval.
  • the variations of the commands of the switches by a high-frequency signal make it possible to obtain a value d having any intermediate value in the interval [-1; 1].
  • control device Since the control device has determined the optimum voltage to obtain maximum power, it controls the switches controlled according to the three situations set out above so as to obtain said optimum voltage by variation of the duty cycle D.
  • the DC / DC sub-converters therefore behave as variable voltage sources as represented with reference to FIG. 3.
  • the shared arm then makes it possible to compensate the powers so that the power budget of the DC / DC converter is null, to allow the transfer of all the power exchanged.
  • the voltages present at the capacitor C c of the DC-DC converter 12 are small and therefore the powers processed at each DC / DC sub-converter are low, which allows the use of lighter components, less expensive and with better performance.
  • treating only a portion of the power exchanged allows, with respect to the prior art, losses that can be divided by ten and a cost divided by three, according to an empirical law known to those skilled in the art that the cost of a DC-DC converter is proportional to the root of the processed power.
  • the power received by the bus 14 is then transmitted, in this embodiment, to an inverter 28 for continuous to alternating conversion.
  • the inverter 28 comprises in particular four IGBT transistors connected to an alternating circuit V s via two coils L s .
  • the invention is not limited to the embodiments described.
  • the electronic or electrochemical components may also be light-emitting diodes consuming power supplied by an external source via the bus, or batteries or supercapacitors adapted to consume power transmitted by the bus for energy storage purposes, and to provide power to the bus to restore that stored energy.
  • the operation of the DC-DC converter in these embodiments is analogous to the embodiments defined above.
  • the chains include electrochemical components such as batteries
  • the DC-DC converter provides active balancing between the different chains.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Charge And Discharge Circuits For Batteries Or The Like (AREA)

Abstract

L'invention concerne un convertisseur électrique continu‐continu à deux étages 5 adapté pour être relié d'une part à au moins deux chaînes (PV1, PV2, PVn) comprenant une pluralité de dipôles non linéaires agencés en série, et d'autre part à un bus (14), externe, et destiné à assurer un échange d'une puissance, entre chaque chaîne (PV1, PV2, PVn) et le bus (14) externe. Le convertisseur est caractérisé en ce qu'il comprend un premier étage 10 comprenant, pour chaque chaîne (PV1, PV2, PVn), un sous‐convertisseur (18a, 18b, 18c) continu‐continu piloté par un dispositif de pilotage pour atteindre un point de fonctionnement de ladite chaîne, un bus intermédiaire, auquel est connecté chaque sous‐convertisseur (18a, 18b, 18c) continu‐continu, et un deuxième étage comprenant au moins un bras (20) mutualisé piloté par un signal de réglage de rapport cyclique 15 déterminé de sorte que le bilan de la puissance circulant au niveau du bus intermédiaire soit nul.

Description

CONVERTISSEUR CONTINU-CONTINU ET ARCHITECTURE ÉLECTRIQUE ASSOCIÉE
1. Domaine technique de l'invention
L'invention concerne un convertisseur électrique continu-continu. En particulier, l'invention concerne un convertisseur électrique continu-continu destiné à être relié à plusieurs chaînes comprenant chacune une pluralité de composants électroniques non linéaires agencés en série, de type modules photovoltaïques, diodes électroluminescentes, batteries, supercondensateurs, etc.
2. Arrière-plan technologique
Les composants électroniques ou électrochimiques non linéaires (plus généralement des dipôles non linéaires) tels que les modules photovoltaïques, diodes électroluminescentes, batteries, supercondensateurs, etc. sont fréquemment utilisés dans des circuits électriques sous formes de chaînes comprenant chacune une pluralité de ces composants (généralement du même type), reliés en série. Plusieurs de ces chaînes sont ensuite reliées via un convertisseur électrique continu-continu à un bus continu, permettant soit l'alimentation des composants électroniques ou électrochimiques si ces composants sont consommateurs d'énergie (par exemple des diodes électroluminescentes, des batteries ou des supercondensateurs lors de leur charge, etc.), soit la transmission d'énergie provenant des composants vers un réseau d'alimentation, si ces composants sont générateurs d'énergie (par exemple des modules photovoltaïques, des batteries ou des supercondensateurs lors de leur décharge, etc.).
La formation de ces chaînes permet d'obtenir des tensions élevées par combinaison des tensions de chaque composant électronique de la chaîne.
En général, chaque chaîne est reliée à un convertisseur continu-continu de façon à pouvoir régler indépendamment le point de fonctionnement de chaque chaîne, ce qui permet d'adapter ce point de fonctionnement aux différences de caractéristiques des composants de chaque chaîne, de leur vieillissement et/ou de leur ensoleillement dans le cas des modules photovoltaïques. Chaque convertisseur traite ainsi l'intégralité de la puissance générée ou reçue par chaque chaîne.
Néanmoins, cette utilisation d'un convertisseur continu-continu pour chaque chaîne engendre un coût important et/ou un rendement non optimal. En particulier, les technologies rencontrées actuellement utilisent soit des transistors bipolaires à grille isolée (IGBT pour Insulated Gâte Bipolar Transistor en anglais), qui présentent un coût relativement faible mais un rendement modéré à cause d'une part de la présence d'un seuil de tension à l'état passant qui ne permet pas de minimiser les pertes par conduction et d'autre part de pertes par commutation relativement élevées, soit des transistors à effet de champ à grille isolée (MOSFET pour Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor en anglais) qui n'ont pas de seuil de tension à l'état passant et des pertes par commutation réduites autorisant ainsi un meilleur rendement, mais un coût plus élevé.
Les inventeurs ont donc cherché à proposer un convertisseur continu-continu qui résout au moins certains des inconvénients des convertisseurs continu-continu connus.
3. Objectifs de l'invention
L'invention vise à pallier au moins certains des inconvénients des convertisseurs continu-continu connus.
En particulier, l'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation de l'invention, un convertisseur continu-continu ayant un rendement élevé.
L'invention vise aussi à fournir, dans au moins un mode de réalisation, un convertisseur continu-continu présentant un coût faible.
L'invention vise aussi à fournir une nouvelle architecture mettant en œuvre des chaînes de composants non linéaires.
4. Exposé de l'invention
Pour ce faire, l'invention concerne un convertisseur électrique continu-continu à deux étages adapté pour être relié d'une part à au moins deux chaînes émettrices/réceptrices de puissance comprenant une pluralité de composants électroniques ou électrochimiques non linéaires agencés en série, et d'autre part à un bus externe récepteur/émetteur de puissance, et destiné à assurer un échange d'une puissance, entre chaque chaîne et le bus externe, caractérisé en ce qu'il comprend :
- un premier étage comprenant, pour chaque chaîne, un sous- convertisseur continu-continu relié à ladite chaîne, chaque sous- convertisseur continu-continu comprenant au moins une cellule de commutation et étant piloté par un dispositif de pilotage pour atteindre un point de fonctionnement de ladite chaîne,
un bus intermédiaire, auquel est connecté chaque sous-convertisseur continu-continu, et comprenant au moins un condensateur adapté pour être chargé avec une tension prédéterminée entre ses bornes, un deuxième étage comprenant au moins un bras mutualisé relié d'une part au bus intermédiaire et d'autre part au bus externe et piloté par un signal de réglage de rapport cyclique déterminé de façon à réguler la tension du bus intermédiaire de sorte que le bilan de la puissance circulant au niveau du bus intermédiaire soit nul.
Un convertisseur continu-continu selon l'invention permet donc un échange de la totalité de la puissance (générée ou consommée) au niveau d'une chaîne de composants électroniques ou électrochimiques (appelés aussi dipôles non linéaires) par le biais d'un sous-convertisseur continu-continu dimensionné seulement pour une partie de la puissance échangée entre la chaîne et le bus externe. Cette puissance échangée est soit émise (i.e. générée) par la chaîne et reçue par le bus externe pour alimenter une charge externe (par exemple pour des chaînes dont les composants sont des modules photovoltaïques), soit émise par une source externe, transmise par le bus externe et reçue (i.e. consommée) par la chaîne (par exemple pour des chaînes dont les composants sont des diodes électroluminescentes). Dans certains cas, par exemple pour des chaînes dont les composants sont des batteries ou des supercondensateurs, celles-ci peuvent être tour à tour émettrice de puissance (alimentation d'une charge) ou réceptrice de puissance (recharge de la batterie).
Chaque sous-convertisseur continu-continu peut ainsi être dimensionné pour seulement une partie de la puissance échangée par une chaîne, en particulier une partie réduite de la puissance échangée par une chaîne, nécessitant ainsi des composants moins coûteux, moins encombrants et avec des meilleurs rendements que les convertisseurs continu-continu de l'art antérieur qui sont chacun dimensionnés pour toute la puissance échangée par une chaîne. La solution proposée ici est bien adaptée lorsque la partie de la puissance échangée qui est commune aux différentes chaînes représente une partie importante de la puissance échangée (de préférence environ 90%), et que l'écart entre les puissances des différentes chaînes représente une partie plus faible de la puissance échangée (de préférence environ 10%) ; autrement dit lorsque le rapport de la différence entre la puissance maximale et la puissance minimale des chaînes sur la puissance moyenne est très inférieur à 1. Cette différence (ou dispersion) de puissance est par exemple due à une différence de vieillissement des composants, une différence d'ensoleillement pour les modules photovoltaïques, etc. Toutefois, le vieillissement des composants et l'ensoleillement sont généralement plus ou moins uniformes pour les composants d'une même chaîne, ce qui explique que cette différence de puissance est généralement inférieure ou égale à 10%. La différence peut aussi être due à l'utilisation de composants de technologies différentes d'une chaîne à une autre, ou la différence peut apparaître après une opération de maintenance avec remplacement de certaines chaînes seulement.
Le bras mutualisé permet ensuite de compenser les puissances échangées par toutes les chaînes et le bus intermédiaire, de sorte à ce que le bilan de puissance au niveau du bus intermédiaire soit nul. La répartition de puissance entre les différentes chaînes peut ainsi être imposée en adaptant la commande utilisée pour le pilotage des différents sous-convertisseurs aux exigences particulières de l'application ; par exemple recherche du point à puissance maximale pour des modules photovoltaïques, équilibrage des courants ou des puissances pour des diodes électroluminescentes, équilibrage des tensions pour des dispositifs électrochimiques, etc. Globalement le convertisseur permet donc de créer un dipôle qui vu des bornes du bus externe se comporte comme une source unique tout en choisissant une loi de répartition de puissance entre différentes chaînes de caractéristiques légèrement différentes.
Pour obtenir ce comportement, le bras mutualisé est piloté pour que la somme des puissances fournies (respectivement consommées) par tous les sous convertisseurs du premier étage et la puissance consommée (respectivement fournie) par le convertisseur, ou bras mutualisé, du deuxième étage soit nulle, de sorte à ce que la tension aux bornes du ou des condensateurs du bus intermédiaire reste constante et régulée à une valeur qui permet de disposer de la gamme de réglage nécessaire (supérieure ou égale à la différence entre la plus grande et le plus petite des tensions des différentes chaînes).
Le dispositif de pilotage de chaque sous-convertisseur est quant à lui configuré pour piloter les sous-convertisseurs de façon à atteindre le point de fonctionnement optimal de la chaîne qui peut être déterminé selon plusieurs critères différents. Par exemple, lorsque les composants électroniques sont des modules photovoltaïques, le critère est de maximiser la puissance fournie par chaque chaîne. D'autres critères peuvent être appliqués, par exemple égaliser les tensions aux bornes de toutes les chaînes, les courants traversant les chaînes, les niveaux de charge de batteries ou supercondensateurs, etc.
Le sous-convertisseur peut aussi comprendre d'autres composants électroniques, par exemple un composant magnétique de filtrage, tel qu'une bobine.
Avantageusement et selon l'invention, le dispositif de pilotage du premier étage est adapté pour déterminer une tension optimale à ajouter ou à soustraire aux bornes de chaque chaîne et le deuxième étage permet d'annuler le bilan de puissance au niveau du bus intermédiaire permettant au premier étage d'assurer la répartition de tension optimale.
Selon cet aspect de l'invention, chaque sous-convertisseur continu-continu du premier étage est équivalent à une source de tension variable qui peut être réglée de sorte à atteindre le point de fonctionnement de la chaîne qui lui est connectée, permettant ainsi d'optimiser les conditions d'échange de puissance avec le bus externe.
Avantageusement et selon l'invention, chaque sous-convertisseur continu- continu comprend au moins deux interrupteurs commandés par le dispositif de pilotage et formant la cellule de commutation, un premier interrupteur étant adapté pour augmenter la partie de la tension aux bornes de la chaîne et un deuxième interrupteur étant adapté pour diminuer la partie de la tension aux bornes de la chaîne.
Selon cet aspect de l'invention, le dispositif de pilotage permet la commande des deux interrupteurs de façon à réguler la tension aux bornes du sous-convertisseur afin d'approcher la tension optimale, suivant un critère différent suivant la nature des chaînes et l'application du convertisseur, comme décrit précédemment en référence avec le point de fonctionnement optimal.
De préférence, chaque interrupteur commandé est adapté pour recevoir un signal de commande haute fréquence en modulation de largeur d'impulsion (MLI ou PWM pour Puise Width Modulation en anglais) déterminé et transmis par le dispositif de pilotage. Les variations de tensions permises par la commande des deux interrupteurs sont ainsi régulées via une variation du rapport cyclique du signal M LI.
Avantageusement et selon l'invention, le bras mutualisé comprend au moins deux interrupteurs commandés par le dispositif de pilotage, configurés pour réguler la tension du bus intermédiaire de sorte que le bilan de la puissance échangée au niveau du bus intermédiaire soit nul.
Selon cet aspect de l'invention, la régulation de la tension du bus intermédiaire est obtenue par le pilotage des deux interrupteurs commandés formant le bras mutualisé permettant ainsi de compenser les différentes puissances générées ou consommées au niveau des sous-convertisseurs continu. En régime établi, la tension du bus intermédiaire est ainsi constante.
L'invention concerne également une architecture électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un convertisseur continu-continu selon l'invention et au moins deux chaînes composées d'une pluralité de composants électroniques ou électrochimiques non linéaires agencés en série, reliées au convertisseur continu-continu.
Avantageusement et selon l'invention, les composants électroniques sont des modules photovoltaïques adaptés pour fournir une puissance électrique à un bus externe via le convertisseur continu-continu.
Selon cet aspect de l'invention, le convertisseur continu-continu est utilisé pour assurer l'échange de puissance entre des chaînes de modules photovoltaïques générant une puissance électrique par captation d'énergie solaire, et un bus recevant cette puissance afin de la retransmettre, par exemple à un onduleur alimentant un réseau de distribution d'électricité. Les modules photovoltaïques ont généralement une tension à leurs bornes relativement faible et sont donc agencés en série sous forme de chaîne pour obtenir une tension plus importante. Du fait des variations de l'ensoleillement selon le moment de la journée, les conditions météorologiques et la présence d'ombres, et du fait de la caractéristique courant/tension non linéaire des modules photovoltaïques, la puissance maximale de chaque chaîne est variable et différente des autres chaînes reliées au convertisseur continu-continu. Le convertisseur continu- continu selon l'invention permet donc, dans cette architecture électrique, de maximiser la puissance générée par chaque chaîne sans impacter les performances des autres chaînes. Avantageusement et selon l'invention, les composants électroniques sont des diodes électroluminescentes adaptées pour consommer une puissance électrique transmise par un bus externe via le convertisseur continu-continu.
Selon cet aspect de l'invention, le convertisseur continu-continu est utilisé pour assurer l'échange de puissance entre un bus transmettant une puissance électrique provenant par exemple d'une source externe, et des chaînes de diodes électroluminescentes consommant cette puissance électrique. Les diodes électroluminescentes sont souvent associées en chaîne pour permettre leur alimentation commune lorsqu'un nombre important de diodes électroluminescentes est utilisé, par exemple pour un dispositif d'éclairage de grande puissance (éclairage public ou éclairage de stade). Les diodes pouvant présenter des caractéristiques courant/tension légèrement différentes ou présenter une usure dégradant ses performances, le convertisseur continu-continu permet un équilibrage de la puissance, du courant ou de la tension fournie aux diodes électroluminescentes pour améliorer le rendement, la durée de vie ou tout autre paramètre pertinent.
Avantageusement et selon l'invention, les composants électrochimiques sont des batteries ou des supercondensateurs, adaptés pour recevoir une puissance afin de stocker l'énergie associée lors d'une charge et de restituer l'énergie en générant une puissance lors d'une décharge.
L'invention concerne également un convertisseur continu-continu et une architecture caractérisés en combinaison par tout ou partie des caractéristiques mentionnées ci-dessus ou ci-après.
5. Liste des figures
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description suivante donnée à titre uniquement non limitatif et qui se réfère aux figures annexées dans lesquelles :
la figure 1 est une représentation schématique d'une architecture électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention,
la figure 2 est une représentation schématique d'une architecture électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
la figure 3 est une représentation simplifiée des architectures électriques selon le premier et le deuxième mode de réalisation,
la figure 4 est une représentation schématique d'une architecture électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention.
6. Description détaillée d'un mode de réalisation de l'invention
Les réalisations suivantes sont des exemples. Bien que la description se réfère à un ou plusieurs modes de réalisation, ceci ne signifie pas nécessairement que chaque référence concerne le même mode de réalisation, ou que les caractéristiques s'appliquent seulement à un seul mode de réalisation. De simples caractéristiques de différents modes de réalisation peuvent également être combinées pour fournir d'autres réalisations. Sur les figures, les échelles et les proportions ne sont pas strictement respectées et ce, à des fins d'illustration et de clarté.
La figure 1 représente schématiquement une architecture 10 électrique selon un premier mode de réalisation de l'invention. L'architecture électrique comprend un convertisseur 12 continu-continu selon un mode de réalisation de l'invention, relié d'une part à un bus externe 14, et d'autre part à une pluralité de chaînes, dont trois chaînes PVi, PV2, PVn, sont représentées, chaque chaîne comprenant une pluralité de composants électroniques ou électrochimiques. La chaîne comprend, dans ce mode de réalisation, plusieurs composants électroniques, dont un seul est représenté. Les composants électroniques de chaque chaîne PVi-PVn sont, dans ce mode de réalisation, des modules photovoltaïques, générant une puissance par conversion de l'énergie solaire reçue sur la surface des modules en énergie électrique.
Le convertisseur 12 continu-continu comprend un premier étage comprenant pour chaque chaine PVi-PVn un sous-convertisseur 18a, 18b, 18c continu-continu relié à ladite chaine. Les sous-convertisseurs 18a, 18b, 18c continu-continu sont reliés à un bus intermédiaire et à un deuxième étage matérialisé ici sous forme d'un unique bras 20 mutualisé dont la sortie est connectée au bus externe 14. Le bus intermédiaire comprend une branche 24 supérieure et une branche 26 inférieure.
Chaque chaine comprend deux bornes, une borne dite borne négative, reliée directement aux autres bornes négatives des autres chaînes et à une borne négative du bus 14 (représentée par le signe '-') via une liaison 22 directe, et une borne dite borne positive reliée au sous-convertisseur continu de ladite chaine.
Ces connexions de chaque chaine PVi-PVn au convertisseur 12 continu-continu et au bus 14 permettent l'échange d'une puissance, dite puissance échangée, entre chaque chaine PVi-PVn et le bus 14. Dans ce mode de réalisation où les composants électroniques de chaque chaine PV PVn sont des modules photovoltaïques, cet échange s'effectue de chaque chaine PVi-PVn qui émet/génère la puissance vers le bus qui la reçoit. Dans d'autres modes de réalisation, le transfert de puissance peut s'effectuer dans le sens inverse avec le même schéma électronique.
Dans ce mode de réalisation, le convertisseur 12 continu-continu permet de transférer des chaînes au bus externe 14 une puissance totale qui dépend de ces sources et permet d'imposer la répartition de la puissance entre les différentes chaînes.
Les sous-convertisseurs 18a, 18b, 18c continu-continu comprennent chacun, dans ce mode de réalisation, un composant magnétique de filtrage tel qu'une bobine Li, L2, Ln reliée d'une part à la chaine et d'autre part à deux interrupteurs commandés, un premier interrupteur Tu, T2i, Tni commandé et un deuxième interrupteur T12, T22, Tn2 commandé, formant une cellule de commutation. Le bras 20 mutualisé comprend également, dans ce mode de réalisation, une bobine L reliée, d'une part au bus 14 et d'autre part à deux interrupteurs commandés Tci et Tc2. Les premiers interrupteurs Tu, T2i, Tni, Tci commandés des sous-convertisseurs et du bras mutualisé sont tous reliés électriquement à la branche 24 supérieure du bus intermédiaire, et les deuxièmes interrupteurs T12, Τ22, Τη2, Tc2 commandés des sous-convertisseurs et du bras mutualisé sont tous reliés électriquement à la branche 26 inférieure du bus intermédiaire.
Le convertisseur 12 continu comprend aussi au moins un condensateur, ici un condensateur Ci, C2, Cn, par sous-convertisseur 18a, 18b, 18c continu-continu, dont une borne dite positive est reliée à la branche 24 supérieure et une borne dite négative est reliée à la branche 26 inférieure. Dans ce mode de réalisation, on considère que les condensateurs Ci, C2, Cn font également partie du bus intermédiaire. Selon d'autres modes de réalisation alternatifs, par exemple le troisième mode de réalisation représenté figure 4, un seul condensateur Cc est relié au bus intermédiaire entre la branche supérieure et inférieure, pour un fonctionnement similaire. Le ou les condensateurs sont chargés, préalablement à l'échange de puissance par le convertisseur continu-continu, avec une tension prédéterminée entre leurs bornes, par exemple grâce à une source externe (non représentée), soit en appliquant préalablement une séquence particulière de commande aux interrupteurs commandés.
La figure 2 représente schématiquement une architecture 10 électrique selon un deuxième mode de réalisation de l'invention.
Dans ce mode de réalisation, chaque sous-convertisseur 18a, 18b, 18c continu- continu du premier étage et le bras mutualisé 20 constituant le deuxième étage comprennent deux interrupteurs commandés, un premier interrupteur T , T21, Tnl, Tcl commandé et un deuxième interrupteur T12, T22, Tn2, Tc2 commandé, et un condensateur Ci, C2, Cn, C comprenant une borne dite positive et une borne dite négative. Chaque chaîne est reliée à la borne négative d'un condensateur Ci, C2, Cn et à un deuxième interrupteur Ti2, T22, Tn2 commandé. Le bras 20 mutualisé comprend également, dans ce mode de réalisation, un condensateur C relié, d'une part à un premier interrupteur commandé Tci et d'autre part à un deuxième interrupteur commandé Tc2 et au bus 14. La borne positive de chaque condensateur Ci, C2, Cn, C est reliée aux premiers interrupteurs Tu, T2i, Tni, Tci commandés et aux bornes positives des autres condensateurs par le biais de la branche 26 supérieure du bus intermédiaire.
Les deux interrupteurs commandés de chaque sous-convertisseur 18a, 18b, 18c sont reliés via une bobine Li, L2, Ln aux deux interrupteurs du bras mutualisé par le biais de la branche 24 inférieure du bus intermédiaire et d'un filtre 30. Selon d'autres modes de réalisation de l'invention, le filtre peut être absent et les bobines Li, L2, Ln connectées directement au bras mutualisé.
La figure 3 représente de façon simplifiée une architecture 10 selon le premier ou le deuxième mode de réalisation de l'invention représentés sur les figures 1 et 2. Chaque chaîne PV PVn est ainsi reliée à une source V1( V2,..., Vn de tension variable permettant d'adapter la tension aux bornes de chaque chaîne PVi-PVn en fonction de la tension optimale calculée par le dispositif de pilotage pour répartir les puissances sur les différentes chaînes de façon appropriée. Le bras mutualisé est quant à lui symbolisé par la source Vm, l'équipotentielle supérieure correspond à l'équipotentielle 26 des figures 1 et 2. Pour un point de fonctionnement donné, les différentes grandeurs de ce circuit sont continues, ce qui veut dire que les puissances consommées ou fournies par les différentes sources Vi à Vn sont généralement non nulles ; c'est le deuxième étage (symbolisé ici par Vm) qui, alimenté par le même bus intermédiaire, permet de faire en sorte que la somme de toutes ces puissances soit nulle (Puissance de la source Vi + ... + Puissance de la source Vn + Puissance de la source Vm = 0). Ces sources V Vn de tension variable sont mises en œuvre, dans les premier et deuxième modes de réalisation, par commande des interrupteurs commandés de chaque sous-convertisseur 18a, 18b, 18c continu-continu, le bras mutualisé permettant quant à lui de régler le point de polarisation moyen de tous les bras du premier étage et d'annuler la puissance vue par le bus intermédiaire. Notamment, dans les deux modes de réalisation, la tension aux bornes des condensateurs peut varier par la commutation des interrupteurs commandés de façon à ce que cette tension augmente ou diminue en fonction de la charge électrique à ces bornes. Ainsi, selon les configurations, les interrupteurs commandés peuvent entraîner la charge ou la décharge des condensateurs. Le fonctionnement des interrupteurs et leur commande sont décrits ci- après en référence à la figure 4. La figure 4 représente schématiquement une architecture 10 électrique selon un troisième mode de réalisation de l'invention, reliée à un bus 14 auquel est connecté un onduleur 28. Ce troisième mode de réalisation est proche du premier mode de réalisation représenté en référence à la figure 1, mais comprenant un seul condensateur dans le convertisseur continu-continu au lieu d'un condensateur par sous-convertisseur continu-continu.
L'architecture comprend n chaînes, dont trois chaînes PV^ PV2 et PVn sont représentées, et chaque chaîne comprend une pluralité de composants électroniques, ici des modules photovoltaïques, dont trois sont représentés. Chaque chaîne PVi-PVn est montée en parallèle avec un condensateur Cpv.
Les chaînes sont connectées directement à un bus continu 14, représenté ici par un condensateur Cdc. Chaque chaîne est connectée, via une bobine Li, L2, Ln traversée par un courant iL1, iL2, iLn, à deux interrupteurs commandés, un premier interrupteur Tu, T2i, Tni commandé et un deuxième interrupteur T12, T22, Tn2 commandé, d'un sous- convertisseur continu-continu. Dans ce mode de réalisation, les interrupteurs commandés sont des transistors de type IGBT accompagnés d'une diode Du, Di2, D2i, D22, -, Dni, Dn2, et commandés au niveau de leurs grilles et permettant ou empêchant le passage du courant entre leurs collecteurs et leurs émetteurs ou entre leurs émetteurs et leurs collecteurs (état passant ou état bloqué).
Le fonctionnement d'un sous-convertisseur continu-continu est décrit ci-après en référence avec une seule chaîne PVn, le fonctionnement étant identique pour les autres chaînes.
Le dispositif de pilotage de la chaîne PVn mesure la tension vpvn aux bornes de la chaîne PVn et la puissance délivrée par la chaîne PVn. Selon un algorithme de recherche du point de fonctionnement optimal de la chaîne, le dispositif détermine la tension à atteindre à chaque itération de l'algorithme, dite tension de référence, permettant d'approcher le point de fonctionnement de la chaîne. Pour obtenir cette tension de référence, le dispositif détermine la commande à appliquer aux interrupteurs commandés. Les deux interrupteurs Tni, Tn2 commandés de la chaîne PVn reçoivent des commandes opposées, c'est-à-dire que si le premier interrupteur Tni est commandé dans l'état passant, le deuxième interrupteur Tn2 est commandé dans l'état bloqué, et si le premier interrupteur Tni est commandé dans l'état bloqué, le deuxième interrupteur T est commandé dans l'état passant. Les deux interrupteurs Tci, Tc2 du bras mutualisé fonctionnent de la même façon. Les signaux de commande des premiers interrupteurs Tu, T2i, Tni commandés des sous-convertisseurs continu-continu sont référencés S , S2, ... , Sn, les signaux de commande des deuxièmes T12, T22, Tn2 interrupteurs commandés des sous-convertisseurs continu-continu sont référencés S , S2, ... , Sn et les signaux de commande du bras mutualisé sont Sc pour le premier interrupteur Tci et Sc pour le deuxième interrupteur Tc2. Ces signaux de commande sont transmis aux interrupteurs au niveau de leurs grilles.
La combinaison des interrupteurs commandés de la chaîne et du bras mutualisé fait apparaître trois situations :
une première situation dans laquelle le premier interrupteur Tni commandé de la chaîne est passant (Sn = 1) et le deuxième Tc2 interrupteur commandé du bras mutualisé est passant (Sc = 1) : le cou rant iLn circule dans le condensateur Cc de sa borne négative vers sa borne positive, augmentant ainsi la charge du condensateur Cc et donc la tension vc à ses bornes ;
une deuxième situation dans laquelle le deuxième interrupteur Tn2 commandé de la chaîne est passant (Sn = 1) et le premier interrupteur Tci commandé du bras mutualisé est passant (Sc = 1) : le courant circule dans le condensateur Cc de sa borne positive vers sa borne négative, réduisant ainsi la charge du condensateur Cc et donc la tension vc à ses bornes ;
une troisième situation dans laquelle le premier interrupteur Tni commandé de la chaîne est passant (Sn = 1) et le premier interrupteur Tcl commandé du bras mutualisé est passant (Sc = 1) ou le deuxième interrupteur Tn2 commandé de la cha îne est passant (Sn = 1) et le deuxième interrupteur Tc2 commandé du bras mutualisé est passant (Sc = 1) : le courant circule respectivement dans la branche 24 supérieure ou dans la branche 26 inférieure sans traverser le condensateu r, la tension vc aux bornes de celui-ci ne varie donc pas. En outre, les situations exposées permettent de faire varier les tensions de la boucle formée par la chaîne PVn, le convertisseur 12 continu-continu et le bus 14. Le bilan des tensions de cette boucle peut s'écrire :
diL
vpvn ~ L—j- RLn ■ lLn— Vc ■ D — Vdc — 0
Avec VpVn la tension aux bornes de la chaîne PVn, L l'inductance de la bobine Ln, iLn l'intensité du courant traversant la bobine Ln, R|_n la résistance du modèle de la bobine Ln, vc la tension aux bornes du condensateur, D le rapport cyclique obtenu par commande des interrupteurs commandés, et vdc la tension aux bornes du bus.
Le rapport cyclique D est un signal continu compris dans l'intervalle [-1 ; +1], obtenu par commande des interrupteurs commandés selon les trois situations décrites ci-dessus, et permettant de représenter la valeur de tension moyenne obtenue aux bornes du condensateur pendant un intervalle de temps. Le rapport cyclique D prend par exemple comme valeur particulière +1 si les interrupteurs sont dans la première situation pendant tout l'intervalle de temps, 0 si les interrupteurs sont dans la troisième situation pendant tout l'intervalle de temps et -1 si les interrupteurs sont dans la deuxième situation pendant tout l'intervalle de temps. Les variations des commandes des interrupteurs par un signal haute-fréquence permettent d'obtenir une valeur d présentant toute valeur intermédiaire dans l'intervalle [-1 ; +1].
Le dispositif de pilotage ayant déterminé la tension optimale pour obtenir une puissance maximale, il commande les interrupteurs commandés selon les trois situations énoncées précédemment de façon à obtenir ladite tension optimale par variation du rapport cyclique D.
Les sous-convertisseurs continu-continu se comportent donc comme des sources de tension variable telles que représentées en référence avec la figure 3. Le bras mutualisé permet ensuite de compenser les puissances de sorte à ce que le bilan de puissance du convertisseur continu-continu soit nul, pour permettre le transfert de la totalité de la puissance échangée. En outre, les tensions présentes au niveau du condensateur Cc du convertisseur 12 continu-continu sont faibles et donc les puissances traitées au niveau de chaque sous-convertisseur continu-continu sont faibles, ce qui permet d'utiliser des composants plus légers, moins coûteux et avec un meilleur rendement. En pratique, le traitement de seulement une partie de la puissance échangée permet, par rapport à l'art antérieur, des pertes pouvant être divisées par dix et un coût divisé par trois, selon une loi empirique connue de l'Homme du métier selon laquelle le coût d'un convertisseur continu-continu est proportionnel à la racine de la puissance traitée.
La puissance reçue par le bus 14 est transmise ensuite, dans ce mode de réalisation, à un onduleur 28 permettant la conversion continu vers alternatif. L'onduleur 28 comprend notamment quatre transistors de type IGBT reliés à un circuit alternatif Vs via deux bobines Ls. L'invention ne se limite pas aux seuls modes de réalisation décrits. En particulier, les composants électroniques ou électrochimiques peuvent aussi être des diodes électroluminescentes consommatrices de puissance fournie par une source externe via le bus, ou des batteries ou supercondensateurs adaptés pour consommer de la puissance transmise par le bus à des fins de stockage d'énergie, et pour fournir de la puissance au bus pour restituer cette énergie stockée. Le fonctionnement du convertisseur continu-continu dans ces modes de réalisation est toutefois analogue aux modes de réalisations définis précédemment. Dans les modes de réalisation où les chaînes comprennent des composants électrochimiques comme des batteries, le convertisseur continu-continu permet de faire un équilibrage actif entre les différentes chaînes.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur électrique continu-continu à deux étages adapté pour être relié d'une part à au moins deux chaînes (PVi, PV2, PVn) émettrices/réceptrices de puissance comprenant une pluralité de composants électroniques ou électrochimiques non linéaires agencés en série, et d'autre part à un bus (14) externe récepteur/émetteur de puissance, et destiné à assurer un échange d'une puissance, entre chaque chaîne (PVi, P 2, PVn) et le bus (14) externe, caractérisé en ce qu'il comprend :
un premier étage comprenant, pour chaque chaîne (PVi, PV2, PVn), un sous-convertisseur (18a, 18b, 18c) continu-continu relié à ladite chaîne, chaque sous-convertisseur (18a, 18b, 18c) continu-continu comprenant au moins une cellule de commutation et étant piloté par un dispositif de pilotage pour atteindre un point de fonctionnement de ladite chaîne, un bus intermédiaire, auquel est connecté chaque sous-convertisseur (18a, 18b, 18c) continu-continu, et comprenant au moins un condensateur (C) adapté pour être chargé avec une tension prédéterminée entre ses bornes,
un deuxième étage comprenant au moins un bras (20) mutualisé relié d'une part au bus intermédiaire et d'autre part au bus (14) externe et piloté par un signal de réglage de rapport cyclique déterminé de façon à réguler la tension du bus intermédiaire de sorte que le bilan de la puissance circulant au niveau du bus intermédiaire soit nul.
2. Convertisseur électrique continu-continu selon la revendication 1, caractérisé en ce que le dispositif de pilotage du premier étage est adapté pour déterminer une tension optimale à ajouter ou soustraire aux bornes de chaque chaîne (PV1( PV2, PVn) et le deuxième étage permet d'annuler le bilan de puissance au niveau du bus intermédiaire permettant au premier étage d'assurer la répartition de tension optimale.
3. Convertisseur électrique continu-continu selon l'une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que chaque sous-convertisseur (18a, 18b, 18c) continu-continu comprend a u moins deux interrupteurs (Tu, T2i, Tni, Ti2, T22, Tn2) comma ndés par le d ispositif de pilotage et formant la cellule de commutation, un premier (Tu, T2i, Tni) interrupteur étant adapté pour augmenter la partie de la tension aux bornes de la chaîne et un deuxième (T12, T22, Tn2) interrupteur éta nt adapté pour diminuer la partie de la tension aux bornes de la chaîne (PVi, PV2, PVn).
4. Convertisseur électrique continu-continu selon la revendication 3, caractérisé en ce que chaque interrupteur commandé (T , T2i, Tnl, T12, T22, Tn2) est ada pté pour recevoir un signal de commande haute fréquence en modulation de largeur d'impulsion déterminé et transmis par le dispositif de pilotage.
5. Convertisseur électrique continu-continu selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le bras (20) mutualisé comprend au moins deux interrupteurs (Tci, Tc2) commandés par le dispositif de pilotage, configurés pour réguler la tension du bus intermédiaire de sorte que le bilan de la puissance échangée au niveau du bus intermédiaire soit nul.
6. Architecture électrique, caractérisée en ce qu'elle comprend un convertisseur (12) continu-continu selon l'une des revendications 1 à 5 et au moins deux chaînes (PV^ PV2, PVn) composées d'une plu ralité de composants électroniques ou électrochimiques non linéaires agencés en série, reliées au convertisseur (12) continu-continu.
7. Architecture électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les composants électroniques sont des modules photovoltaïques adaptés pour fournir une pu issance électrique à un bus (14) externe via le convertisseur (12) continu-continu.
8. Architecture électrique selon la revendication 6, caractérisée en ce que les composants électroniques sont des diodes électroluminescentes adaptées pour consommer une puissance électrique transmise par un bus (14) externe via le convertisseur (12) continu-continu.
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