FR3034582A1 - METHOD AND SYSTEM FOR ELECTRICALLY POWERING A DIRECT CURRENT LOAD FROM AN ALTERNATIVE CURRENT SOURCE AND A SOLAR GENERATOR - Google Patents
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Abstract
La présente invention se rapporte au couplage entre une source d'énergie à courant alternatif et un générateur solaire de courant continu constitué de N panneaux solaires en série pour alimenter une même charge via un convertisseur de tension. Le couplage est obtenu via un pont de diodes entre la source de courant alternatif et le convertisseur et via une diode en série entre le générateur solaire et l'entrée du convertisseur, la charge étant branchée en sortie du convertisseur et alimentée sous tension continue.The present invention relates to the coupling between an AC power source and a DC solar generator consisting of N solar panels in series for supplying the same load via a voltage converter. The coupling is obtained via a diode bridge between the AC source and the converter and via a diode in series between the solar generator and the input of the converter, the load being connected to the output of the converter and supplied with DC voltage.
Description
1 Procédé et système d'alimentation électrique d'une charge en courant continu à partir d'une source de courant alternatif et d'un générateur solaire La présente invention se rapporte au domaine de l'énergie et plus particulièrement à l'alimentation électrique d'une charge par une source de courant alternatif. 11 est connu un réseau de télécommunication qui nécessite une tension continue, par exemple 48V ou 400V, pour son alimentation électrique. Le courant continu est obtenu à partir d'une source de courant alternatif et de tension alternative appelée couramment secteur. Pour la France, la tension nominale du secteur est de 230V avec comme tolérance +10% et -15% et la fréquence est de 50Hz. La fréquence, la tension nominale et la plage de tension peuvent être différentes selon le pays et le type de réseau. La forme d'onde du courant alternatif est représentée à la figure 1 et sa forme d'onde redressée avec un redressement double alternance est représentée à la figure 2. Cette source de courant redressé a des limites d'amplitude de tension différentes selon les amplitudes de tension basse ou haute du secteur : amplitude basse Vb = 230 (1-il 5%) x 1.414= 276.5V amplitude haute = 230 (1+10 %) x 1.414 =357.7V. Il existe des sources d'énergie alternatives dites « green ou vertes » utilisées plus particulièrement à des fins d'économie de l'énergie d'origine fossile (en particulier nucléaire, charbon, pétrole) dite non renouvelable fournie par le secteur. En particulier, il est connu des panneaux solaires qui délivrent de l'énergie avec une tension et un courant de type continu. Un générateur solaire est constitué de plusieurs panneaux solaires montés tant en série qu'en parallèle en fonction de la , puissance à fournir et des valeurs de tension et de courant à respecter. Pour réguler la puissance fournie par les panneaux solaires, il est généralement utilisé un régulateur solaire spécifique dit MPFT (Maximum Power Point Tracking, soit Suivi du Point de Puissance Maximale). Le branchement des panneaux solaires comme source d'énergie renouvelable et du secteur comme source de courant alternatif est effectué généralement en utilisant un régulateur solaire spécifique MPPT et un redresseur connectés ensemble à une batterie et à une charge. L'utilisation de deux sources d'alimentation, les panneaux solaires comme source de courant continu et le secteur comme source de courant alternatif se heurte parfois à la difficulté de branchement de ces deux sources à une même charge selon un montage à faible coût global que ce soit d'achat et de maintenance. La présente invention propose une architecture à faible coût pour alimenter une charge à partir d'une source de courant alternatif (secteur) et en parallèle à partir d'un générateur solaire 3034582 2 photovoltaïque permettant de réduire la part d'énergie consommée par la charge et fournie par le secteur, la part d'énergie renouvelable augmentant. A cette fin, l'invention a pour objet un procédé pour alimenter une charge à partir d'une source de courant alternatif ayant une tension redressée de limite basse Vb et à partir d'un générateur solaire 5 photovoltaïque composé de panneaux solaires générant chacun une puissance maximale à une tension continue Vmp, la charge étant branchée en sortie d'un convertisseur de tension pouvant fonctionner avec un courant continu en entrée et acceptant une tension maximale Vh en entrée, comprenant : le couplage des deux sources d'alimentation au moyen d'un dispositif de redressement entre la source de courant alternatif et le convertisseur et d'un dispositif ayant une 10 fonction de diode en série entre le convertisseur et une première branche de N panneaux solaires en série avec N déterminé tel que N>1 et Vb/Vmp < N <Vh1Vmp. L'invention a en outre pour objet un dispositif de couplage et un système d'alimentation d'une charge. Le dispositif de couplage d'une source de courant alternatif ayant une tension redressée de 15 limite basse Vb et d'un générateur solaire photovoltaïque composé d'une première branche de N panneaux solaires en série générant chacun une puissance maximale à une tension continue Vmp, destiné à un système d'alimentation d'une charge branchée en sortie d'un convertisseur de tension pouvant fonctionner avec un courant continu en entrée et acceptant une tension maximale Vh en entrée, comprend : 20 un dispositif de redressement entre la source de courant alternatif et le convertisseur et un dispositif ayant une fonction de diode en série entre le convertisseur et la première branche de N panneaux solaires avec N déterminé tel que N >1 et Vb/Vmp <N < Vh/Vmp. Le système d'alimentation d'une charge à partir d'une source de courant alternatif ayant une 25 tension redressée de limite basse Vb et à partir d'un générateur solaire photovoltaïque composé d'une première branche de N panneaux solaires en série générant chacun une puissance maximale à une tension continue Vmp, comprend : un premier convertisseur de tension pouvant fonctionner avec un courant continu en entrée et acceptant une tension maximale Vh en entrée, la charge étant branchée en sortie 30 du premier convertisseur et un dispositif de couplage selon un objet précédent de l'invention. Le dispositif de couplage selon l'invention a donc deux entrées, une pour l'alimentation d'énergie non renouvelable fournie par le secteur et une autre pour l'alimentation d'énergie renouvelable fournie par le générateur solaire et une sortie vers un convertisseur de tension. Ce 3034582 3 dispositif de couplage permet ainsi de n'utiliser qu'un seul convertisseur de tension du commerce tout en permettant de prioriser la consommation d'énergie issue du générateur solaire en imposant un nombre déterminé N de panneaux solaires. L'invention permet ainsi un couplage très simple et peu couteux entre une source d'énergie à 5 courant alternatif (le secteur) et un générateur solaire de courant continu qui permet d'alimenter une même charge tout en permettant de prioriser l'énergie consommée d'origine solaire. L'invention nécessite uniquement un dispositif de couplage entre le générateur solaire et le secteur pour alimenter une même charge via un convertisseur de tension. Le dispositif de couplage comprend un dispositif ayant une fonction de diode, par exemple une diode à brancher en sortie du 10 générateur solaire, et un dispositif de redressement du secteur par exemple un pont de diodes. Les sorties du dispositif de redressement et du dispositif ayant une fonction de diode sont connectées ensemble pour alimenter un convertisseur acceptant en entrée du courant continu et du courant alternatif AC redressé. Le convertisseur peut être de type AC/DC, soit alternatif vers continu, par exemple un redresseur ou redresseur/chargeur utilisé dans les sites de télécommunication pour charger 15 une batterie de secours. Le convertisseur peut également être de type DC/DC ou bien de type onduleur DC/AC à condition qu'il accepte le courant AC redressé en entrée en plus du courant continu. Il peut s'agir d'un onduleur utilisé pour un service de soutien de fréquence du réseau, dans ce cas le dispositif de couplage charge un dispositif de stockage court par exemple un super-condensateur. Ce type de condensateur peut être en effet rechargé directement et sans régulation par le dispositif de couplage.The present invention relates to the field of energy and more particularly to the electrical power supply of a direct current load from an alternating current source and a solar generator. a charge by an AC power source. It is known a telecommunication network which requires a DC voltage, for example 48V or 400V, for its power supply. The direct current is obtained from a source of alternating current and alternating voltage commonly called sector. For France, the nominal voltage of the sector is 230V with tolerance + 10% and -15% and the frequency is 50Hz. Frequency, rated voltage and voltage range may differ depending on the country and type of network. The waveform of the alternating current is shown in FIG. 1 and its rectified waveform with full wave rectification is shown in FIG. 2. This rectified current source has different voltage amplitude limits depending on the amplitudes. low or high voltage of the sector: low amplitude Vb = 230 (1-it 5%) x 1.414 = 276.5V high amplitude = 230 (1 + 10%) x 1.414 = 357.7V. There are alternative energy sources called "green or green" used more particularly for the purpose of saving energy from fossil (especially nuclear, coal, oil) so-called non-renewable energy provided by the sector. In particular, it is known solar panels that deliver energy with a voltage and a continuous type of current. A solar generator consists of several solar panels mounted in series as well as in parallel depending on the power to be supplied and the voltage and current values to be respected. To regulate the power supplied by the solar panels, it is generally used a specific solar regulator said MPFT (Maximum Power Point Tracking, or Tracking of the Point of Maximum Power). The connection of solar panels as a source of renewable energy and of the sector as an AC power source is generally carried out using a specific MPPT solar regulator and a rectifier connected together to a battery and a load. The use of two power sources, the solar panels as DC power source and the AC power source sector sometimes encounters the difficulty of connecting these two sources to the same load in a low overall cost arrangement. it's buying and maintenance. The present invention provides a low cost architecture for powering a load from an AC power source (mains) and in parallel from a photovoltaic solar generator 3034582 2 to reduce the share of energy consumed by the load and provided by the sector, with the share of renewable energy increasing. To this end, the subject of the invention is a method for supplying a load from an alternating current source having a low-limit rectified voltage Vb and from a photovoltaic solar generator composed of solar panels each generating a maximum power at a DC voltage Vmp, the load being connected at the output of a voltage converter operable with a DC input and accepting a maximum voltage VH input, comprising: the coupling of the two power sources by means of d a rectifying device between the AC power source and the converter and a device having a diode function in series between the converter and a first branch of N solar panels in series with N determined such that N> 1 and Vb / Vmp <N <Vh1Vmp. The invention further relates to a coupling device and a feed system of a load. The coupling device of an AC source having a low limit rectified voltage Vb and a photovoltaic solar generator composed of a first branch of N solar panels in series each generating a maximum power at a DC voltage Vmp, for a power supply system of a load connected at the output of a voltage converter operable with a direct input current and accepting a maximum voltage Vh at the input, comprising: a rectifying device between the AC power source and the converter and a device having a diode function in series between the converter and the first branch of N solar panels with N determined such that N> 1 and Vb / Vmp <N <Vh / Vmp. The system for supplying a load from an alternating current source having a low limit rectified voltage Vb and from a photovoltaic solar generator composed of a first branch of N series solar panels each generating a maximum power at a DC voltage Vmp, comprises: a first voltage converter able to operate with a direct current input and accepting a maximum voltage Vh input, the load being connected at the output 30 of the first converter and a coupling device according to a previous object of the invention. The coupling device according to the invention therefore has two inputs, one for the non-renewable power supply supplied by the sector and another for the renewable energy supply supplied by the solar generator and an output to a converter. voltage. This coupling device thus makes it possible to use only one commercial voltage converter while making it possible to prioritize the energy consumption coming from the solar generator by imposing a determined number N of solar panels. The invention thus allows a very simple and inexpensive coupling between an AC power source (the sector) and a DC solar generator which makes it possible to feed the same load while making it possible to prioritize the energy consumed. of solar origin. The invention requires only a coupling device between the solar generator and the sector to supply the same load via a voltage converter. The coupling device comprises a device having a diode function, for example a diode to be connected at the output of the solar generator, and a rectifier of the sector for example a diode bridge. The outputs of the rectifier and the device having a diode function are connected together to power a converter accepting DC input and rectified AC AC. The converter may be of AC / DC type, alternating to DC, for example a rectifier or rectifier / charger used in telecommunication sites for charging a backup battery. The converter can also be of the DC / DC type or of the DC / AC inverter type provided that it accepts the input AC rectified current in addition to the direct current. It may be an inverter used for a network frequency support service, in this case the coupling device loads a short storage device for example a super-capacitor. This type of capacitor can indeed be recharged directly and without regulation by the coupling device.
20 Le convertisseur de tension a pour fonction de changer la tension et de produire une tension régulée. Il est bien connu que pour éviter sa détérioration, la tension maximale Vh acceptable par le convertisseur doit être supérieure à la plage haute de la tension redressée (357.7V) du secteur. L'invention ne nécessite pas d'interrupteur/inverseur/commutateur ni de convertisseur spécifique au générateur solaire. L'invention ne nécessite pas de régulateur solaire MPPT spécifique 25 puisque le générateur solaire fonctionne à un point de puissance maximum compte tenu du choix de N en relation avec les tensions Vb, Vmp et Vh. Aucune protection foudre ne doit être ajoutée aux protections déjà prévues avec la source de courant alternatif. Ainsi, le couplage selon l'invention est assuré avec des équipements qui occupent peu de 30 place. Il s'agit par exemple d'une diode, d'un transistor MOSFET ou d'un transistor IGBT (lnsulated Gate Bipolar Transistor) piloté en fonction diode et d'un pont de diodes ou d'un pont de transistors pilotés en fonction pont de redressement. En outre, le convertisseur (de type DC/DC ou redresseur AC/DC) est typiquement un appareil du commerce. L'invention permet ainsi d'alimenter la charge 3034582 4 avec une réutilisation d'équipements du commerce ce qui permet de limiter l'investissement et la maintenance de l'installation obtenue. Selon un mode de réalisation, le procédé pour alimenter une charge comprend en outre le branchement en parallèle de la première branche d'au moins une branche de M panneaux solaires en 5 série, M pouvant être différent de N. Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation comprend en outre un premier dispositif d'asservissement pour piloter un courant de sortie du premier convertisseur en fonction de la tension d'entrée de ce premier convertisseur. Selon un mode de réalisation, le système d'alimentation comprend en outre au moins un 10 deuxième convertisseur directement alimenté par la source de courant alternatif et connecté en parallèle sur la sortie du premier convertisseur et comprenant en outre un deuxième dispositif d'asservissement qui contrôle une consigne de tension du deuxième convertisseur en lien avec le contrôle d'une consigne de tension du premier convertisseur. Selon un mode de réalisation, le premier convertisseur est un redresseur de type AC/DC 15 acceptant une tension continue ou AC redressée, ou un convertisseur de type DC/DC acceptant une tension continue ou AC redressée ou un onduleur de type DC/AC acceptant une tension continue ou AC redressée. Le procédé peut être utilisé pour alimenter des équipements d'un réseau de télécommunication tels des téléphones fixes, des passerelles domestiques (dites « box »). Le procédé 20 peut tout aussi bien être utilisé pour alimenter une station de recharge de batteries utilisées dans d'autres équipements dont des véhicules, des appareils portables. Liste des figures D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront lors de la description qui suit faite en regard des figures annexées données à titre d'exemple non limitatif.The voltage converter has the function of changing the voltage and producing a regulated voltage. It is well known that to avoid deterioration, the maximum voltage Vh acceptable by the converter must be greater than the high range of the rectified voltage (357.7V) of the sector. The invention does not require a switch / inverter / switch or converter specific to the solar generator. The invention does not require a specific MPPT solar regulator since the solar generator operates at a maximum power point given the choice of N in relation to the voltages Vb, Vmp and Vh. No lightning protection must be added to the protections already provided with the AC power source. Thus, the coupling according to the invention is provided with equipment that occupies little space. It is for example a diode, a MOSFET transistor or an IGBT transistor (lnsulated Gate Bipolar Transistor) driven as a diode function and a diode bridge or a bridge of bridge-driven transistors. adjustment. In addition, the converter (DC / DC type or rectifier AC / DC) is typically a commercial device. The invention thus makes it possible to feed the load 3034582 4 with reuse of commercial equipment, which makes it possible to limit the investment and maintenance of the installation obtained. According to one embodiment, the method for supplying a load further comprises the parallel connection of the first branch of at least one branch of M solar panels in series, M being able to be different from N. According to one embodiment, the supply system further comprises a first servo device for controlling an output current of the first converter as a function of the input voltage of this first converter. According to one embodiment, the power supply system further comprises at least one second converter directly powered by the AC power source and connected in parallel with the output of the first converter and further comprising a second control device which controls a voltage setpoint of the second converter in connection with the control of a voltage setpoint of the first converter. According to one embodiment, the first converter is an AC / DC type rectifier 15 accepting a DC voltage or AC rectified, or a DC / DC type converter accepting a DC voltage or rectified AC or a DC / AC type inverter accepting a DC voltage or AC rectified. The method can be used to power equipment of a telecommunication network such as fixed telephones, domestic gateways (called "box"). The method 20 can equally well be used to power a battery charging station used in other equipment including vehicles, portable devices. List of Figures Other features and advantages of the invention will become apparent from the following description made with reference to the accompanying figures given by way of non-limiting example.
25 La figure 1 illustre la forme d'onde ainsi que le facteur de puissance (costp) de la source de courant alternatif gérée par l'opérateur d'électricité français EdF et décrite dans la partie art antérieur. La figure 2 illustre la forme d'onde redressée avec un redressement double alternance correspondant à la source de courant alternatif gérée par l'opérateur d'énergie français EdF et décrite dans la partie art antérieur.FIG. 1 illustrates the waveform as well as the power factor (costp) of the AC power source managed by the French electricity operator EdF and described in the prior art. FIG. 2 illustrates the rectified waveform with a full-wave rectification corresponding to the alternating current source managed by the French energy operator EdF and described in the prior art part.
30 La figure 3 illustre la puissance UI fournie par un générateur solaire photovoltaïque composé de panneaux solaires sous la forme de la courbe du courant en fonction de la tension et sous la forme de la courbe de la puissance en fonction de la tension. La figure 4 illustre la puissance UI d'un panneau solaire et la droite de charge optimale.FIG. 3 illustrates the power UI provided by a solar photovoltaic generator composed of solar panels in the form of the curve of the current as a function of the voltage and in the form of the curve of the power as a function of the voltage. Figure 4 illustrates the UI power of a solar panel and the optimal load line.
3034582 5 La figure 5 illustre la puissance UI d'un panneau solaire de 12 V nominal et la droite de charge optimale pour différents ensoleillements. La figure 6 est un schéma d'un générateur solaire photovoltaïque constitué de deux branches en parallèle de chacune quatre panneaux solaires montés en série.Figure 5 illustrates the UI power of a nominal 12V solar panel and the optimum load line for different sunshine. FIG. 6 is a diagram of a photovoltaic solar generator consisting of two branches in parallel of each of four solar panels connected in series.
5 La figure 7 illustre la puissance UI du générateur solaire de la figure 6. La figure 8 est un schéma de principe d'un dispositif de couplage selon l'invention d'une source de courant alternatif et d'un générateur solaire photovoltaïque pour alimenter une charge et une batterie via un redresseur AC/DC du commerce. La figure 9 est un schéma de principe d'un appareil redresseur AC/DC du commerce.FIG. 7 illustrates the power UI of the solar generator of FIG. 6. FIG. 8 is a block diagram of a coupling device according to the invention of an alternating current source and a photovoltaic solar generator for supplying power. a charge and a battery via a commercial AC / DC rectifier. Figure 9 is a block diagram of a commercial AC / DC rectifier apparatus.
10 La figure 10 est un schéma de principe d'un exemple d'un système d'alimentation selon l'invention d'une charge à partir du secteur 50Hz tel que fourni par l'opérateur français EdF et à partir d'un générateur solaire photovoltaïque composé de sept panneaux solaires. La figure 11 est un schéma d'un système selon l'invention d'alimentation d'une charge à partir d'une source de courant alternatif -AC et d'un générateur solaire photovoltaïque composé de N 15 panneaux solaires, comprenant un ou plusieurs convertisseurs (CT) avec asservissement (A). La figure 12 est un schéma d'un système selon l'invention d'alimentation d'une charge à partir d'une source de courant alternatif -AC et d'un générateur solaire photovoltaïque composé de N panneaux solaires comprenant l'ensemble de convertisseurs comme dans la figure 11 (CT1) et un autre ensemble de convertisseurs (CT2) avec asservissement (B).FIG. 10 is a block diagram of an example of a power supply system according to the invention of a load from the 50 Hz sector as supplied by the French operator EdF and from a solar generator photovoltaic system consisting of seven solar panels. FIG. 11 is a diagram of a system according to the invention for supplying a load from an alternating current source -AC and a photovoltaic solar generator composed of N 15 solar panels, comprising one or more converters (CT) with servo control (A). FIG. 12 is a diagram of a system according to the invention for supplying a load from an alternating current source -AC and a photovoltaic solar generator composed of N solar panels comprising the set of converters as in FIG. 11 (CT1) and another set of converters (CT2) with servocontrol (B).
20 Description de modes de réalisation de l'invention L'énergie provenant d'un panneau solaire est une énergie électrique de type courant continu pur. Un générateur solaire photovoltaïque composé de panneaux solaires génère une puissance UI illustrée par la figure 3. Un tel générateur solaire présente une courbe tension/courant dont la forme ne change pas quel que soit le nombre de panneaux solaires connectés ensemble.DESCRIPTION OF EMBODIMENTS OF THE INVENTION Energy from a solar panel is pure DC power. A photovoltaic solar generator composed of solar panels generates a power UI illustrated in Figure 3. Such a solar generator has a voltage / current curve whose shape does not change regardless of the number of solar panels connected together.
25 L'invention tente de faire coïncider la tension au point de puissance maximum des panneaux solaires montés en série à la tension crête (230 x 1.414=352V) de la valeur redressée du courant alternatif de tension norminale 230 V. Dans ces conditions, il est possible d'effectuer un couplage optimal entre l'énergie solaire photovoltaïque et l'énergie venant du secteur. En effet, la tension au point de puissance maximum, pour un panneau solaire ou une série de panneaux solaires, est une 30 tension relativement fixe pour un éclairement donné et qui varie assez peu avec des niveaux d'ensoleillement variant de 100 à 1000W/m2. La figure 4 représente la puissance UI d'un panneau solaire et la droite de charge optimale. La figure 5 représente la puissance UI d'un panneau solaire de 12 V nominal et la droite de charge optimale pour différents ensoleillements. La droite tracée sur la figure 5 qui relie les différents points de puissance maximum a une forte pente. Il est donc justifié de 3034582 6 considérer que la valeur de la tension au point de puissance maximum du panneau Solaire est quasi constante et varie dans une plage de tension faible. Pour exemple, les valeurs de la tension au point de puissance maximum du panneau solaire illustré par la figure 5 varient entre 31 et 35 V. Un générateur solaire photovoltaïque est ainsi constitué de plusieurs panneaux solaires montés 5 en série et éventuellement en parallèle. Le générateur solaire ainsi constitué a toujours une courbe tension/courant de même forme. Par conséquent. de même que pour un seul panneau, la tension au point de puissance maximale du générateur solaire pour tous les éclairements peut être considérée =une suivant une droite à forte pente. La figure 6 représente schématiquement un générateur solaire photovoltaïque constitué de deux branches en parallèle de chacune quatre panneaux solaires montés en 10 série La figure 7 représente la courbe Ul du générateur solaire de la figure 6. La figure 8 est un schéma d'un exemple d'un dispositif selon l'invention de couplage d'une source de courant alternatif et d'un générateur solaire photovoltaïque pour alimenter une charge et une batterie via par exemple un redresseur. La source de courant alternatif (secteur) a une tension redressée de limite basse Vb. L'appareil redresseur de tension accepte en entrée une tension maximale Vii.The invention attempts to match the voltage at the maximum power point of the solar panels connected in series with the peak voltage (230 x 1.414 = 352V) of the rectified value of the 230 V nominal voltage of the AC current. It is possible to optimize the coupling between photovoltaic solar energy and energy coming from the sector. Indeed, the voltage at the maximum power point, for a solar panel or a series of solar panels, is a relatively fixed voltage for a given illumination and varies somewhat with sunlight levels ranging from 100 to 1000 W / m2. . Figure 4 shows the power UI of a solar panel and the optimal load line. Figure 5 shows the UI power of a nominal 12V solar panel and the optimum load line for different solar conditions. The line drawn in Figure 5 which connects the different points of maximum power has a steep slope. It is therefore justified to consider that the value of the voltage at the maximum power point of the solar panel is almost constant and varies in a low voltage range. For example, the values of the voltage at the maximum power point of the solar panel illustrated in FIG. 5 vary between 31 and 35 V. A photovoltaic solar generator thus consists of several solar panels mounted in series and possibly in parallel. The solar generator thus formed always has a voltage / current curve of the same shape. Therefore. as for a single panel, the voltage at the maximum power point of the solar generator for all the illuminations can be considered = a following a steep straight line. FIG. 6 schematically represents a photovoltaic solar generator consisting of two branches in parallel of each of four solar panels mounted in series. FIG. 7 represents the curve U1 of the solar generator of FIG. 6. FIG. 8 is a diagram of an example of FIG. a device according to the invention for coupling an alternating current source and a photovoltaic solar generator for supplying a load and a battery via, for example, a rectifier. The AC power source (mains) has a rectified voltage of low limit Vb. The voltage rectifier apparatus accepts at input a maximum voltage Vii.
15 Le dispositif de couplage comprend un pont de diode DB et une diode Dd. La diode Dcl est en série entre le générateur solaire et le redresseur. Le pont de diode DB est branché entre la source de courant alternatif et l'appareil redresseur de tension. L'appareil redresseur de tension utilisé pour mettre. en oeuvre l'invention doit pouvoir fonctionner avec un courant de type continu ou de type secteur redressé en entrée. La charge est 20 branchée en sortie de l'appareil redresseur et alimentée sous une tension continue. Un schéma de principe d'un appareil redresseur utilisé pour mettre en oeuvre l'invention est illustré par la figure 9. Un tel appareil doit pouvoir fonctionner avec un courant continu en entrée ou de type secteur redressé. L'appareil redresseur comporte un pont de diode en entrée avec ou sans filtre. Un tel filtre est composé de selfs en série sur le neutre et sur la phase et d'une capacité entre le neutre et la phase qui laissent 25 passer tant le courant continu que le courant alternatif. Le pont de diode est suivi éventuellement d'une fonction électronique PFC (Power Factor Correction, soit Correction du Facteur de Puissance) qui a pour but de réduire la consommation d'énergie réactive c'est-b.-dire do diminuer le déphasage phi entre le courant consommé et la tension du secteur. Le dispositif PFC est suivi d'un régulateur qui effectue l'abaissement ou l'élévation de la tension afin de délivrer le niveau de tension souhaité pour la charge.The coupling device comprises a diode bridge DB and a diode Dd. The diode Dcl is in series between the solar generator and the rectifier. The diode bridge DB is connected between the AC power source and the voltage rectifier apparatus. The voltage rectifier apparatus used to put. The invention must be able to operate with a current of continuous type or of rectified sector type input. The load is connected to the output of the rectifying apparatus and fed with a DC voltage. A schematic diagram of a rectifying apparatus used to implement the invention is illustrated in FIG. 9. Such an apparatus must be able to operate with a DC input or rectified sector type current. The rectifier apparatus has an input diode bridge with or without a filter. Such a filter is composed of series-on-line and neutral-phase chokes and a neutral-to-phase capacitance which pass both DC and AC. The diode bridge is optionally followed by an electronic function PFC (Power Factor Correction) which aims to reduce the reactive energy consumption, ie to reduce the phase shift. between the current consumed and the mains voltage. The PFC device is followed by a regulator that lowers or raises the voltage to provide the desired voltage level for the load.
30 Ce type de dispositif PFC accepte le courant alternatif redressé en sortie du pont de diode mais aussi le courant continu. D'autres types de redresseur AC/DC ou de convertisseurs DC/DC ou AC/DC peuvent également convenir pourvu qu'ils acceptent en entrée un courant de type continu ou de type seeteur redressé. Les N panneaux solaires forment le générateur solaire PV. La puissance. générée maximale de ehaque panneau est obtenue à une tension continue Vmp. Les N panneaux sont connectés en série à 3034582 7 l'entrée de l'appareil redresseur via la diode Dd en série. Le choix judicieux du nombre N de panneaux solaires en série associé à un couplage via la diode Dd assure que le générateur solaire fonctionne comme une source de tension relativement fixe. Le nombre N de panneaux solaires est tel que la tension au point de puissance maximum du 5 générateur solaire est supérieure à la valeur de la tension redressée de limite basse Vb et inférieure à la tension maximale Vh de l'appareil convertisseur : VbIVmp < N <Vh1Vmp et N>1. L'énergie consommée par la charge correspond à un courant fourni par le générateur de tension la plus élevée, entre le secteur redressé et le générateur solaire.This type of PFC device accepts the alternating current rectified at the output of the diode bridge but also the direct current. Other types of AC / DC rectifiers or DC / DC or AC / DC converters may also be suitable provided that they accept a DC or rectifier type current as input. The N solar panels form the PV solar generator. The power. generated maximum of each panel is obtained at a DC voltage Vmp. The N panels are connected in series to the input of the rectifier apparatus via the Dd diode in series. The judicious choice of the number N of solar panels in series associated with a coupling via the diode Dd ensures that the solar generator operates as a relatively fixed voltage source. The number N of solar panels is such that the voltage at the maximum power point of the solar generator is greater than the value of the rectified voltage of the lower limit Vb and lower than the maximum voltage Vh of the converter apparatus: VbIVmp <N < Vh1Vmp and N> 1. The energy consumed by the load corresponds to a current supplied by the highest voltage generator, between the rectified sector and the solar generator.
10 La figure 10 est un schéma de principe d'un exemple d'un système selon l'invention d'alimentation d'une charge à partir du secteur 50Hz tel que fourni par l'opérateur français EdF et à partir d'un générateur solaire photovoltaïque composé de sept panneaux solaires. Le même principe fonctionne sur le secteur d'un autre pays travaillant à fréquence et tension différente. L'exemple illustré par la figure 10 permet de décrire la détermination de N pour une exploitation donnée telle 15 l'alimentation d'un équipement d'un réseau de télécommunication. Le système d'alimentation comprend un convertisseur de tension pouvant fonctionner avec un courant continu en entrée et acceptant une tension maximale Vh en entrée et un dispositif de couplage selon l'invention décrit précédemment. La charge est branchée en sortie du convertisseur. La source de courant alternatif prise pour exemple est le secteur 50Hz 230Vac fourni par 20 l'opérateur français EdF. La tension redressée de limite basse Vb a pour amplitude : 230 (1 - 15%) x x/2 = 276,5V. La tension redressée de limite haute a pour amplitude : 230(1 + 10%) x V2 = 357,7V. Le convertisseur pris pour exemple est un appareil redresseur de marque Emerson de type 3500W, il transforme le 230Vac en 48VDC. Il a une tension d'entrée maximale Vh supérieure à 25 400VDC. La charge est un équipement simulant une consommation de 2700W correspondant à la consommation d'équipements de télécommunication en parallèle avec une batterie de 48V/100Ah au plomb. Les panneaux solaires choisis sont de marque FIRST SOLAR de référence FS377. Ils sont de 30 type couche mince utilisant le CdTe comme semi-conducteur et sont conformes à la norme IEC 61646. Chaque module fourni une puissance crête de 77,5W à une tension continue Vmp de 48,3V et à une température de référence de 25°C. Des panneaux solaires de type cristallin conformes à la norme IEC 61215 peuvent tout aussi bien être utilisés mais les tensions obtenues peuvent être différentes.FIG. 10 is a block diagram of an example of a system according to the invention for supplying a load from the 50 Hz sector as supplied by the French operator EdF and from a solar generator photovoltaic system consisting of seven solar panels. The same principle works on the sector of another country working at different frequency and voltage. The example illustrated in FIG. 10 makes it possible to describe the determination of N for a given operation such as the supply of a piece of equipment of a telecommunication network. The power supply system comprises a voltage converter able to operate with a DC input and accepting a maximum voltage VH input and a coupling device according to the invention described above. The load is connected to the output of the converter. The AC power source taken as an example is the 50 Hz 230Vac sector supplied by the French operator EdF. The low limit rectified voltage Vb has the amplitude: 230 (1 - 15%) x x / 2 = 276.5V. The high-limit rectified voltage has for amplitude: 230 (1 + 10%) x V2 = 357.7V. The converter taken as an example is a 3500W Emerson brand rectifier, it transforms the 230Vac into 48VDC. It has a maximum input voltage Vh greater than 25 400VDC. The load is a device simulating a consumption of 2700W corresponding to the consumption of telecommunication equipment in parallel with a battery of 48V / 100Ah lead. The selected solar panels are FIRST SOLAR brand reference FS377. They are of the thin-film type using CdTe as a semiconductor and are in accordance with IEC 61646. Each module provides a peak power of 77.5W at 48.3V DC voltage and at a reference temperature of 25.5. ° C. Crystalline type solar panels in accordance with IEC 61215 may be used as well, but the voltages obtained may be different.
3034582 8 La relation Vb/Vmp < N < Vh/Vmp appliquée à l'exemple donne 276,5/48,3 <N < 400/48,3 soit 5,72 <N < 8,26. Le nombre N peut donc être égal à huit, sept ou six puisqu'il s'agit bien entendu d'un entier naturel. Le choix de sept panneaux au lieu de six ou huit permet d'obtenir un générateur solaire avec une puissance maximale tout en gardant une marge vis-à-vis de la tension Vh.The relation Vb / Vmp <N <Vh / Vmp applied to the example gives 276.5 / 48.3 <N <400 / 48.3 or 5.72 <N <8.26. The number N can thus be equal to eight, seven or six since it is of course a natural integer. The choice of seven panels instead of six or eight allows to obtain a solar generator with maximum power while maintaining a margin vis-à-vis the voltage Vh.
5 Un générateur solaire de sept panneaux produit donc au maximum une puissance de 550W sous 350V soit un courant généré de 1,5A maximum. La diode Dd doit donc accepter ce courant maximum de 1,5A. Il s'agit d'une diode de puissance. Par exemple, une telle diode a un seuil de tension de conduction de 1V et dissipe une puissance de 1,5W (1,5A-1V). Pour dissiper cette puissance, la diode est selon les règles de l'art classiquement montée avec un radiateur. Le pont de 10 diode doit accepter le courant d'entrée du redresseur par exemple 4A et le pont de diode équipé de quatre diodes comporte deux diodes en série à chaque alternance du courant alternatif, et présente une chute de tension de 2V et donc chaque branche de deux diodes du pont doit dissiper 8 W la moitié du temps soit 8 W pour l'ensemble des quatre diodes. Dans le cas d'une coupure de la source de courant alternatif, l'appareil redresseur continu 15 d'assurer la régulation de tension de la batterie et aucune surcharge ne peut avoir lieu. Ceci ne serait pas le cas si les panneaux solaires étaient directement connectés à la batterie sans l'intermédiaire d'un régulateur. Le même calcul s'applique à un nombre quelconque de branches en parallèle de la première branche de N panneaux et constituées de M panneaux identiques en série. M peut être différent de N 20 mais est calculé selon le même principe que N. Par exemple, pour deux branches de respectivement M panneaux de tension Vmp2 et de N panneaux de tension Vmpl, les nombres M et N sont tels que les valeurs N x Vmpl et M x Vmp2 soient très proches l'une de l'autre. L'ajout d'une ou de plusieurs branches en parallèle permet d'adapter la puissance fournie par le générateur solaire en relation avec une puissance consommée par la charge.A solar generator of seven panels therefore produces at most a power of 550W at 350V or a generated current of 1.5A maximum. The diode Dd must therefore accept this maximum current of 1.5A. This is a power diode. For example, such a diode has a conduction voltage threshold of 1V and dissipates a power of 1.5W (1.5A-1V). To dissipate this power, the diode is according to the rules of the art conventionally mounted with a radiator. The diode bridge must accept the input current of the rectifier for example 4A and the diode bridge equipped with four diodes has two diodes in series at each alternating current of the alternating current, and has a voltage drop of 2V and therefore each branch. two diodes of the bridge must dissipate 8 W half the time or 8 W for all four diodes. In the event of a break in the AC power source, the rectifying apparatus continues to provide voltage regulation of the battery and no overcharging can take place. This would not be the case if the solar panels were directly connected to the battery without the intermediary of a regulator. The same calculation applies to any number of branches parallel to the first branch of N panels and consisting of M identical panels in series. M can be different from N 20 but is calculated according to the same principle as N. For example, for two branches of respectively M voltage panels Vmp2 and N voltage panels Vmpl, the numbers M and N are such that the values N x Vmpl and M x Vmp2 are very close to each other. The addition of one or more branches in parallel makes it possible to adapt the power supplied by the solar generator in relation to a power consumed by the load.
25 Par exemple, un générateur solaire positionné en toiture comporte cinq branches de dix panneaux solaires produisant chacun 240W avec une tension Vmp=40V. Le générateur solaire produit donc au maximum 12kW sous 400V et génère donc au maximum un courant de 30A. Chaque branche de dix panneaux est en série avec une diode qui doit accepter 6A. Par exemple, une telle diode de puissance a une chute de tension de 1V et doit donc dissiper 6W. Les cinq diodes sont connectées 30 ensemble en sortie. Le pont de diode doit permettre de redresser 30A. Chaque diode du pont doit donc accepter 30A. Comme dans l'exemple précédent la chute de tension du pont est de 2V. Le pont de diodes doit donc dissiper 60W. La figure 11 est un schéma d'un système selon l'invention d'alimentation d'une charge à partir d'une source de courant alternatif -AC et d'un générateur solaire photovoltaïque PV composé de N 3034582 9 panneaux solaires, N>1. La source de courant alternatif a une tension redressée de limite basse Vb. Le système d'alimentation comprend un pont de diode DB, une diode Dd et un appareil convertisseur de tension CT 1. Le générateur solaire photovoltaïque génère une puissance maximale à une tension continue déterminée et à une température donnée. Le système d' alimentation comprend en outre un 5 asservissement A. En cas de coupure réseau -AC et quelle que soit la charge, l'asservissement A permet au convertisseur CT1 de s'adapter à la puissance maximum du générateur solaire PV. Sinon en l'absence d'asservissement A, la tension en entrée du convertisseur chute en suivant la caractéristique U, I du générateur solaire et le convertisseur ne fonctionne plus correctement. L'asservissement A pilote la consigne de courant de sortie du convertisseur en fonction de la tension d'entrée de ce 10 convertisseur afin de la maintenir dans sa plage de tension de bon fonctionnement. La fonction d'asservissement peut-être réalisée à l'intérieur ou à l'extérieur du convertisseur via un dispositif de régulation et être commune à plusieurs convertisseurs optionnels montés en parallèle (en pointillés sur la figure 11). Il est clair pour l'homme du métier, qu'une consigne est la référence de réglage de la sortie d'un système asservi ou régulé.For example, a solar generator positioned on the roof has five branches of ten solar panels each producing 240W with a voltage Vmp = 40V. The solar generator therefore produces a maximum of 12kW at 400V and thus generates at most a current of 30A. Each branch of ten panels is in series with a diode that must accept 6A. For example, such a power diode has a voltage drop of 1V and must therefore dissipate 6W. The five diodes are connected together at the output. The diode bridge must be able to straighten 30A. Each diode of the bridge must therefore accept 30A. As in the previous example the voltage drop of the bridge is 2V. The diode bridge must dissipate 60W. FIG. 11 is a diagram of a system according to the invention for supplying a load from an alternating current source -AC and a photovoltaic solar generator PV composed of N 3034582 9 solar panels, N> 1. The AC source has a rectified voltage of low limit Vb. The power supply system comprises a diode bridge DB, a diode Dd and a voltage converter apparatus CT 1. The photovoltaic solar generator generates a maximum power at a determined DC voltage and at a given temperature. The power supply system furthermore comprises a servo-control A. In the event of a mains interruption -AC and whatever the load, the servocontrol A allows the converter CT1 to adapt to the maximum power of the solar generator PV. Otherwise in the absence of slaving A, the input voltage of the converter drops according to the characteristic U, I of the solar generator and the converter no longer works properly. Servo control A drives the output current setpoint of the converter according to the input voltage of this converter in order to maintain it in its operating voltage range. The servo-control function can be carried out inside or outside the converter via a regulating device and be common to several optional converters connected in parallel (in dashed lines in FIG. 11). It is clear to those skilled in the art that a setpoint is the reference for setting the output of a controlled or controlled system.
15 La figure 12 est un schéma d'un système selon l'invention d'alimentation qui outre les dispositifs de la figure 11 comprend en outre au moins un autre convertisseur CT 2 et un autre asservissement B. Cet autre convertisseur peut fonctionner en étant directement alimenté par le réseau -AC tout en étant connecté en parallèle sur la sortie du convertisseur CT 1. L'asservissement B donne une priorité à la production solaire par le convertisseur CT 1 en baissant la consigne de tension du 20 convertisseur CT 2 un peu en dessous de celle du convertisseur CT 1. En contrôlant la consigne de tension du deuxième convertisseur un peu en dessous de celle du premier convertisseur la priorité est donnée à une consommation d'énergie issue du générateur solaire via le premier convertisseur.FIG. 12 is a diagram of a system according to the invention of supply which in addition to the devices of FIG. 11 furthermore comprises at least one other converter CT 2 and another servo-control B. This other converter can operate by being directly fed by the -AC network while being connected in parallel on the output of the converter CT 1. The control B gives priority to the solar production by the converter CT 1 by lowering the voltage setpoint of the converter CT 2 a little bit. below that of the converter CT 1. By controlling the voltage setpoint of the second converter a little below that of the first converter priority is given to a power consumption from the solar generator via the first converter.
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