Une nouvelle solution de surveillance modulaire pour les systèmes de production d'énergie photovoltaïque et de stockage d'énergie

1. Introduction et Contexte de Recherche

1.1 État Actuel de l'Industrie Solaire
En tant que l'une des sources d'énergie renouvelable les plus abondantes, le développement et l'utilisation de l'énergie solaire sont devenus centraux dans la transition énergétique mondiale. Ces dernières années, stimulée par des politiques mondiales, l'industrie photovoltaïque (PV) a connu une croissance explosive. Les statistiques indiquent qu'au cours de la période du "12e Plan Quinquennal", l'industrie PV chinoise a connu une augmentation phénoménale de 168 fois. À la fin de 2015, la capacité installée en PV avait dépassé 40 000 MW, se classant première au monde pour trois années consécutives, avec une croissance continue anticipée à l'avenir.

1.2 Problèmes Existant et Défis Techniques
Malgré un développement rapide, les systèmes de stockage d'énergie PV traditionnels font toujours face à de nombreux goulets d'étranglement techniques dans les applications pratiques :

• Problèmes de Tableaux PV : Pour répondre aux exigences de tension et de puissance de la charge, un grand nombre de cellules PV individuelles sont généralement connectées en série et en parallèle. Cette structure est sensible à l'ombrage partiel, entraînant des pertes de "mismatch" et des effets de point chaud, qui réduisent considérablement l'efficacité de production d'énergie du système et sa sécurité.
• Problèmes de Batteries de Stockage : Les batteries, également configurées en série et en parallèle, font face intrinsèquement à des problèmes d'équilibrage. L'incohérence des batteries s'aggrave avec l'échelle, augmentant non seulement la complexité du système, mais aussi causant une dégradation de la capacité et une durée de vie raccourcie, entravant ainsi l'application à grande échelle.
• Insuffisances des Technologies Existantes : Bien que certains chercheurs aient proposé des techniques de gestion d'équilibrage passif, ces méthodes ne font que déplacer le problème d'équilibrage sans tenir pleinement compte de l'impact de la connexion en série de plusieurs modules sur les circuits aval. Elles manquent également de guidance scientifique pour la sélection de composants clés tels que les cellules PV.

II. Solution Globale du Système et Topologie

Le cœur de cette solution consiste à construire une topologie de système d'alimentation novatrice, modulaire et évolutible.

2.1 Composition Hiérarchique du Système
Le système est structuré de manière hiérarchique à partir de l'unité de base jusqu'à trois niveaux :

1. Module (Unité de Base) :
   • Composition : Une seule cellule PV, une seule batterie de stockage (avec une tension et une capacité adaptées), 4 interrupteurs de puissance, et un contrôleur indépendant.
   • Fonction : En tant que plus petite unité autonome, le contrôleur gère les 4 interrupteurs pour permettre la connexion/déconnexion indépendante de la cellule PV et de la batterie, permettant un basculement flexible entre cinq modes de fonctionnement.
2. Chaîne en Série :
   • Composition : Formée en connectant plusieurs des modules ci-dessus en série.
   • Fonction : Augmente la tension de sortie totale de la chaîne pour correspondre à la plage de tension d'entrée du convertisseur DC/DC boosteur en aval.
3. Système :
   • Composition : Formé en connectant plusieurs chaînes en parallèle, convergeant via un convertisseur DC/DC vers un bus DC commun.
   • Fonction : Le bus DC peut alimenter directement les charges DC ou, via un onduleur DC/AC, alimenter les charges AC.

2.2 Avantages Clés
Cette topologie, grâce à un contrôle indépendant au niveau de chaque cellule, élimine fondamentalement les effets d'ombrage inhérents et les problèmes d'équilibrage des batteries des structures en série traditionnelles au niveau physique. Avec une sélection appropriée des composants, le système permet aux cellules PV de fonctionner constamment près de leur Point de Puissance Maximale (MPP), éliminant ainsi la nécessité de circuits MPPT supplémentaires et de systèmes de gestion de batterie (BMS) complexes.

III. Stratégie de Surveillance Hiérarchique

Cette solution adopte une stratégie de contrôle hiérarchique pour réaliser une surveillance raffinée, du local au global.

3.1 Stratégie de Surveillance au Niveau du Module (Contrôle Autonome)
Chaque module bascule de manière autonome entre les 5 modes de fonctionnement suivants en fonction de son propre état (tension de sortie PV, tension de la batterie) :

3.2 Stratégie de Surveillance au Niveau de la Chaîne (Contrôle de Coordination de Tension)
La surveillance au niveau de la chaîne utilise la tension d'entrée du convertisseur DC/DC (U_in) comme paramètre clé, stabilisant la tension en connectant/déconnectant les modules.

• Objectif de Contrôle : Assurer que U_in reste dans la plage de fonctionnement admissible du circuit DC/DC (par exemple, 12V ~ 22V).
• Logique de Contrôle par Seuils (par exemple, pour un système de 24V) :
  • Seuil de Tension Basse (16V) : Si U_in < 16V, le système de surveillance recherche automatiquement les modules dans la chaîne qui sont en mode veille mais ont une charge de batterie normale, commandant leur connexion pour empêcher l'arrêt du convertisseur DC/DC en raison d'une tension d'entrée trop faible.
  • Seuil de Tension Haute (20V) : Si U_in > 20V, la connexion de nouveaux modules est restreinte pour assurer que U_in n'excède pas la tension d'entrée maximale du convertisseur DC/DC.
  • Seuil de Protection (12V) : Si U_in < 12V, la chaîne est considérée comme épuisée, déconnectée de force. Tous les modules entrent en mode veille jusqu'à ce qu'un nombre suffisant de batteries récupèrent leur charge.

3.3 Stratégie de Surveillance au Niveau du Système (Protection Globale)
La surveillance au niveau du système se concentre sur la garantie de la qualité de l'alimentation, avec la tension du bus DC (U_bus) comme point de surveillance clé.

• Logique de Contrôle : La tension du bus DC est surveillée en temps réel. Si la tension tombe en dessous d'un seuil critique (par exemple, 80% de la tension nominale d'un système de 24V, soit 22V), cela indique une insuffisance d'énergie totale du système. Le système de surveillance exécutera une commande d'arrêt globale pour protéger l'onduleur et les équipements de charge, assurant ainsi la qualité de l'alimentation côté AC.

IV. Méthode de Sélection des Composants Clés

Pour résoudre le problème de compatibilité entre les cellules PV et les batteries de stockage, cette solution propose une méthode de sélection visant à maximiser l'efficacité d'utilisation de l'énergie solaire.

• Idee Centrale : Dans ce système, la tension de fonctionnement de la cellule PV est limitée par la tension de la batterie, rendant crucial le couplage de leurs paramètres de tension.
• Modèle de Sélection : Basé sur un modèle mathématique d'ingénierie de la cellule PV (en tenant compte des effets de température et d'irradiance), l'efficacité du système η est dérivée en fonction de la tension de la batterie U_BAT et de la tension de point de puissance maximale de la cellule PV U_mp.
• Conclusion : Pour une batterie de stockage de 3,7V avec une tension de fonctionnement autour de 3,9V~4,0V, les résultats de simulation indiquent que l'efficacité d'utilisation de l'énergie solaire du système est maximale lorsque la tension U_mp de la cellule PV est d'environ 4,25V. Par conséquent, dans la sélection pratique, la tension U_mp de la cellule PV devrait être contrôlée dans la plage de 4,2V ~ 4,3V.

V. Résultats Attendus

1. Amélioration Significative de l'Efficacité : L'opération modulaire indépendante élimine complètement l'effet de "seau" et les problèmes de points chauds des structures en série, assurant que chaque unité fonctionne efficacement. Simultanément, le couplage précis de la tension entre les cellules PV et les batteries permet un suivi approximatif du Point de Puissance Maximale (MPPT) sans circuits supplémentaires, améliorant considérablement l'efficacité de production d'énergie.
2. Augmentation de la Durée de Vie et de la Fiabilité : La structure modulaire résout fondamentalement les défis d'équilibrage causés par l'incohérence des packs de batteries, évitant les surcharges et les décharges excessives, prolongeant ainsi la durée de vie globale du système. La stratégie de surveillance hiérarchique offre plusieurs couches de protection, du local au global, améliorant significativement la robustesse du système.
3. Optimisation des Coûts et Maintenance Facile : Cette conception élimine avec succès la nécessité de trackers MPPT complexes et de systèmes de gestion de batterie (BMS), réduisant les coûts matériels. Son architecture "Lego-like" rend l'installation, la maintenance et l'expansion extrêmement pratiques. La panne d'un seul module n'affecte pas le fonctionnement global, réduisant le coût total du cycle de vie.