În această expunere se face o introducere în studiul sistemului Maximum Power Point Tracking (MPPT): situare şi concept, principiul fundamental şi prezentarea diferitelor sisteme MPPT existente, avantajele şi dezavantajele lor.

Experimental, s-a observat că celulele fotoelectrice (FE) prezintă mari variaţii ale puterii electrice debitate, în funcţie de condiţiile meteorologice. În plus, când ele debitează pe sarcină, apar anumite probleme, iar puterea transferată sarcinii, rareori corespunde puterii maxime furnizate de generatoruk FE. Probleme similare apar şi în cazul eolienelor.

Pentru a avea cea mai bună conexiune între o sursă neliniară şi o sarcină oarecare şi pentru a produce energie în condiţii optime, începând cu 1968 a fost dezvoltat sistemul de Urmărire a Punctului de Putere Maximă - Maximum Power Point Tracking (MPPT). Acest tip de regulatoare, special adaptate pentru a comanda o sursă neliniară, forţează generatorul să lucreze în Punctul de Putere Maximă - Maximum Power Point (MPP), determinând ameliorarea globală a randamentului sistemului de conversie electrică.

Când o sursă de energie electrică este conectată la o sarcină, punctul de funcţionare se stabileşte la intersecţia caracteristicilor curent-tensiune (I-V) ale celor două. Acest punct se modifică în permanenţă, deoarece sursa sau sarcina se modifică permanent. Din acest motiv, de cele mai multe ori, nu se funcţionează în MPP, iar puterea furnizată sarcinii este mai mică decât puterea maximă ce ar putea fi furnizată.

Există mai multe tipuri de regulatoare MPPT. În general, fiecare dintre aceste regulatoare, a fost realizat pentru o anumită aplicaţie. Precizia şi robusteţea acestor regulatoare depind de anumiţi parametri:

•  Randamentul global al sistemului, dorit de constructor;

•  Tipul de convertor static ce permite adaptarea şi conectarea la sarcină (c.c.-c.c., c.c.-c.a.), sau la reţeaua electrică;

•  Aplicaţia dorită (sisteme autonome, conectate la reţea, spaţiale);

•  Caracteristicile sistemului MPPT, în funcţie de viteza de reacţie, calitate;

•  Tipul de realizare (analogică, numerică, mixtă).

Principiile regulatoarelor MPPT, se bazează deseori pe "cotul" caracteristicii putere-tensiune (P-V). Este mai mult sau mai puţin, o metodă bazată pe tatonare, aşa cum se poate vedea în figura de mai jos.

Figura 1: Principiul unui regulator MPPT.

Fiind într-un anumit punct pe curbă (X1), se urmăreşte dacă valoarea puterii în punctul următor este mai mare sau nu. Dacă "da", punctul de funcţionare se deplasează în punctul următor (X2), până când valoarea următoare (Xn) va fi mai mică decât cea precedentă (Xn-1). În acest moment, se consideră intervale mai mici între puncte şi se reîncepe, plecând din (Xn-1), până se obţine MPP (X).

Animaţia de mai jos vă permite să vizualizaţi căutarea MPP, prin modificarea tensiunii bateriei, pentru a găsi valoarea optimă în funcţie de caracteristicile curent-tensiune (I-V) şi putere-tensiune (P-V).

Totuşi, acest principiu, aparent simplu de realizat în aceste condiţii, devine mai puţin accesibil atunci când intervine şi modificarea iluminării. Practic, atunci când se modifică intensitatea iluminării, de la E1 la E2, cu E2<E1, caracteristica P-V se modifică. Punctul (X), care era până acum MPP, devine un punct de funcţionare nesatisfăcător în noile condiţii, aşa cum se poate vedea în figura de mai jos. Se observă că un alt punct este MPP, notat (X').

Figura 3: Consecinţa modificării iluminării asupra căutării MPP.

Ca şi în cazul regulatoarelor lineare, controlul se bazează pe un sistem de reglare ce are variabilele de intrare şi ieşire Xi, respectiv Xo. În cazul celor mai multe sisteme de reglare, este suficientă o singură măsurătoare pentru a cunoaşte raportul dintre Xo şi Xi. Aceasta nu mai este însă valabilă într-un sistem în care acest raport depinde de timp.

Figura 4: Schema bloc clasică.

Modificarea punctului Xi poate fi asimilată cu cu o perturbaţie în reglarea maximului. În consecinţă, dacă se cunoaşte semnul derivatei lui Xo şi dacă acesta arată că Xo se depărtează de maxim, regulatorul schimbă semnul şi direcţia lui Xi, pentru a regăsi maximul. Această evoluţie permanentă a lui Xi determină oscilaţii permanente în jurul valorii maxime.

Totuşi, există mai multe limite:

•  Caracteristica putere-tensiune (P-V) a generatorului poate avea mai mult de un maxim. Această situaţie apare atunci când sunt conectate în serie sau în paralel multe celule FE, cu diodele lor de protecţie.

•  Apar variaţii bruşte ale iluminării sau ale sarcinii. Dacă sistemul MPPT nu are o dinamică bună, MPP poate fi pierdut. Pe durata intervalului de regăsire a lui MPP, apar pierderi de putere.

•  Există oscilaţii în jurul MPP pe durata căutării acestuia. Acestea determină pierderi.

Trebuie subliniat faptul că sistemele MPPT funcţionează la frecvenţe audio foarte înalte, între 20 kHz şi 50 kHz. Avantajul circuitelor de înaltă frecvenţă îl constituie faptul că ele pot fi construite cu transformatoare cu randament foarte bun, gabaritul componentelor fiind mai mic.

După 1968 au fost realizate numeroase regulatoare MPPT.

•  Primele regulatoare

Se bazează pe controlul unui întreruptor, prin intermediul unui comutator basculant. Acesta la rândul lui este controlat de două elemente: diferenţa dintre valoarea actuală a curentului I şi valoarea sa maximă şi diferenţa dintre valoarea actuală a tensiunii V şi valoarea sa de vârf. Se face o alegere aleatoare între maximele diferenţelor ΔI şi ΔV, astfel încât să se obţină o funcţionare aproape de MPP.

•  Alte MPPT în aplicaţii spaţiale

Mediul spaţial diferă de cel de pe Pamânt. Practic, cantiatea de iluminare depinde de poziţia satelitului, care este o informaţie cunoscută şi nu de condiţiile meteorologice, ca pe Pământ. Din acest motiv, pot fi făcute anumite simplificări pentru evaluarea puterii furnizate de generatorul FE.

•  Sitemele MPPT care utilizează algoritmi

Algoritmii de programare a regulatoarelor MPPT sunt relativ simpli, datorită limitelor tehnologice ale microprocesoarelor disponibile. Ei pot fi implementaţi cu uşurinţă pe un calculatoare sau un microprocesor.

Există, de asemenea, algoritmi amelioraţi, analogici sau numerici. Practic, cei din urmă permit adaptarea comenzii, putându-se obţine randamente de 100%.

Concluzie

Pentru ameliorarea regulatoarelor existente, cercetările trebuie să se focalizeze asupra caracterului lor:

•  Dacă valoarea maximă a puterii este mare. Este cazul conectării unui număr mare de celule FE în serie sau în paralel.

•  Dacă apar schimbări bruşte ale iluminării sau ale sarcinii. În acest caz, curba de putere a generatorului FE şi deci punctul său MPP poate fi modificată oricând.

•  Cum se pot elimina pierderile determinate de sistemul de control? Natura oscilatorie a reglajului în jurul lui MPP determină performanţe slabe.