New Optimized Electrical Architectures of a Photovoltaic Generators with High Conversion Efficiency
Nouvelles Architectures Electriques Optimisées de Générateurs Photovoltaïques à Haut Rendement
Résumé
This thesis focuses in the optimization of the efficiency of photovoltaic power conversion chain. In this way, different improvements have been proposed in the electrical architecture and its control algorithms in order to obtain high efficiency in a large rage of input power and long life-time of PV power conversion system. Using loss analysis, the benefits and drawbacks of parallel connection of power structures has been shown. This analysis has allowed the conception of a new optimized architecture constituted by parallelized power converters, called Multi-Phase Adaptive Converter (MPAC). The singularity of these power structures consists on the adaptation of the phases of the converter depending on the power production in real-time and looking for the most efficient configuration all time. In this way, the MPAC guarantees high conversion efficiency for all power ranges. Another control law is also implemented which guarantees a rotation of the phases to keep their working time uniform. Thus, the stress of the components of all the phases is kept homogenous, assuring a homogeneous aging of the phases. Since the global stress of the component is lower, the MPAC presents a longer life-time. The improvements in the power conversion stage are shown by experimental prototypes. Experimental tests have been done for global validation. Comparison with a classical power conversion stage shows the improvement in the global conversion efficiency.
L'objectif de cette thèse est l'optimisation du rendement des chaînes de conversion photovoltaïques (PV). Différentes améliorations de l'architecture électriques et de ses algorithmes de commande ont été développées afin d'obtenir un haut rendement de conversion sur une grande plage de puissance d'entrée. Ces travaux portent également sur l'allongement de la durée de vie de l'étage de conversion électrique. Les avantages et les inconvénients d'un système composé de convertisseurs connectés en parallèle ont été montrés notamment à travers une analyse de pertes. Ces études ont permis la conception d'une nouvelle architecture constituée par des convertisseurs parallélisés. Cette dernière est appelée "Convertisseur Multi-Phase Adaptative" (MPAC). Sa singularité réside dans ses algorithmes de commande qui adaptent les phases actives selon la production de puissance en temps réel et recherchent la configuration la plus efficiente à chaque instant. De cette façon, le MPAC garantit un haut rendement de conversion sur toute la plage de puissance de fonctionnement. Une autre loi de commande permet quant à elle d'uniformiser le temps de fonctionnement de chaque phase par l'implémentation d'un algorithme de rotation de phase. Ainsi, le stress des composants de ces phases est maintenu homogène, assurant un vieillissement homogène pour chacune des phases. Etant donné alors le faible stress appliqué sur chaque composant, la structure MPAC présente une durée de vie plus importante. Les améliorations de l'étage de conversion de puissance ont pu montrer par la réalisation d'un prototype expérimental et par la réalisation de tests expérimentaux la validation globale du système. Pour finir, des tests comparatifs entre une chaîne de conversion PV classique et notre système ont montré une amélioration significative du rendement de conversion.
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