Développement d'un émulateur de panneaux solaires photovoltaïques pour un banc d'essai de microréseau de navires : application de la topologie du convertisseur isolé à deux ponts actifs

Beaulieu-Gagnon, Vincent (2025). Développement d'un émulateur de panneaux solaires photovoltaïques pour un banc d'essai de microréseau de navires : application de la topologie du convertisseur isolé à deux ponts actifs. Mémoire. Rimouski, Université du Québec à Rimouski, Département de mathématiques, informatique et génie, 117 p.

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Résumé

RÉSUMÉ : L'intégration des énergies renouvelables, telles que l'éolien et le solaire photovoltaïque (PV) dans les navires, émerge de plus en plus pour contribuer à relever les défis environnementaux et économiques de l'industrie maritime. Cependant, lors de la phase de conception, des tests en laboratoire sont nécessaires pour garantir leur intégration fiable, sûre et efficace. Un émulateur solaire (ou émulateur PV) est un convertisseur d'électronique de puissance spécialisé conçu pour reproduire les caractéristiques courant-tension d'un module, d'un panneau ou d'une station solaire, permettant ainsi de tester les systèmes d'énergie solaire dans des conditions de laboratoire contrôlées. En particulier, il permet de tester des stratégies de gestion de l'énergie sans avoir besoin d'une infrastructure de production solaire physique coûteuse et encombrante. Reproduire les caractéristiques courant-tension d'un module ou d'une station solaire pour des conditions d'irradiance et de température variables nécessite, toutefois, des modèles mathématiques précis et des algorithmes de contrôle en boucle fermée. Comme l'émulateur doit également interagir avec des systèmes ayant des dynamiques rapides, comme les onduleurs avec des fonctionnalités de suivi du point de puissance maximale (maximum power point tracking, MPPT), il est nécessaire d'avoir une réponse rapide en boucle fermée pour garantir des performances dynamiques réalistes et éviter les interactions indésirables. Il doit également maintenir en sortie une tension et un courant stable sous des conditions de charges très variables de même qu'avoir une efficacité élevée pour limiter l'élévation de la température dans l'environnement de laboratoire (ex. : armoire électrique). Un convertisseur d'électronique de puissance de type DC-DC est typiquement au cœur d'un émulateur. Ses principales fonctions sont le contrôle du flux de puissance, l'isolation galvanique et l'adaptation des niveaux de courant et de tension. La topologie à deux ponts actifs monophasés (single-phase dual active bridge, 1p-DAB) montre un fort potentiel pour cette application, car elle répond naturellement à ces trois fonctions, en plus de fournir une grande flexibilité pour le contrôle et une haute efficacité grâce à ses capacités de commutation douce à tension nulle (zero-voltage switching, ZVS). Ce mémoire propose une démarche de conception permettant l'utilisation de la topologie de convertisseur 1p-DAB comme composant central d'un émulateur de station solaire pour un microréseau de test de navires à petite échelle. L'émulateur est composé d'un convertisseur de type 1p-DAB en boucle fermée qui sera, dans l'application finale, connecté en entrée à une source de tension DC et en sortie à un microréseau de test de navire via un onduleur avec contrôle MPPT. La boucle de contrôle externe est composée d'un modèle de station solaire générant une référence de tension de sortie calculée pour imiter le comportement des modules PV la constituant sous des conditions de température et d'irradiance variables. La rétroaction du courant de sortie permet ensuite au modèle de station solaire d'adapter la référence de tension pour s'assurer que la tension de sortie du convertisseur suit la caractéristique courant-tension des modules PV face à des perturbations de son courant de sortie. La boucle interne comprend un contrôleur de type proportionnel intégral (PI) à large bande passante et une rétroaction sur la tension de sortie pour ajuster le déphasage entre les deux ponts actifs du convertisseur 1p-DAB, ce qui permet d'assurer que la tension de sortie de l'émulateur suive dynamiquement la référence de tension calculée par le modèle de station solaire. La démarche de conception se décline en trois étapes principales : 1) la formulation, l'implémentation et la validation d'un modèle de station solaire pouvant être résolu dans le domaine du temps avec MATLAB® Simulink, permettant à l'émulateur d'ajuster sa tension de sortie en réponse à des changements au niveau de son courant de sortie et des consignes d'irradiance et de te pérature, 2) le développement d'un modèle en régime permanent du convertisseur 1p-DAB pour calculer ses paramètres de conception clés et sélectionner les composants principaux, ainsi qu'évaluer ses régions d'opération (notamment les zones de fonctionnement en ZVS) en fonction des contraintes de la fonction d'émulation de la station solaire pour le microréseau de test de navire à l'étude, et 3) le développement et l'implémentation d'un modèle petit signal dans le domaine fréquentiel pour concevoir la boucle de régulation interne sur la tension de sortie du convertisseur en fonction de la dynamique désirée sur le microréseau de test de navire. Un prototype de convertisseur à pleine échelle de 8 kW, 400 V à 400 V est ensuite conçu en suivant cette démarche puis fabriqué en s'inspirant d'un design de référence développé par Texas Instruments. Ce design de référence utilise notamment des transistors au carbure de silicium (Silicon Carbide, SiC) et un transformateur d'isolation planaire, ce qui lui permet d'être efficace et compacte, deux éléments importants pour l'environnement de laboratoire visé. La démarche de conception proposée est validée par des simulations dans le domaine du temps à l'aide de l'outil Simscape Electrical de MATLAB® Simulink et de tests en laboratoire sur le prototype fabriqué. Les résultats montrent le potentiel d'utilisation de la topologie 1p-DAB pour cette application. Notamment, les résultats en simulation ont démontré que l'émulateur peut suivre précisément la caractéristique courant-tension de la station solaire en régime permanent et que le temps de réponse du convertisseur peut être suffisamment rapide pour les besoins de l'application (< 10 ms de temps de stabilisation) si la boucle de régulation est bien conçue. De plus, les résultats expérimentaux ont démontré l'importance d'assurer que les deux ponts actifs du convertisseur 1p-DAB soient dans leur région de ZVS afin d'assurer une bonne efficacité de l'émulateur lorsque la charge à sa sortie est élevée. -- Mot(s) clé(s) en français : énergie solaire photovoltaïque, émulateur photovoltaïque, navire, microréseau, électronique de puissance, convertisseur à double pont actif. --
ABSTRACT : The integration of renewable energy resources such as wind and solar photovoltaic (PV) into ships is increasingly emerging to address maritime industry environmental and economic challenges. However, during the design phase, it is important to conduct laboratory testing to ensure their reliable, safe, and efficient integration. A solar emulator (or PV emulator) is a specialized power electronics converter designed to replicate a solar module, panel or station current-voltage characteristics, enabling solar energy systems testing under controlled laboratory conditions. It allows testing energy management strategies and grid stability without the need for an expensive and cumbersome physical solar production infrastructure. Reproducing the current-voltage characteristics of a solar module or station for time-variable irradiance and temperature conditions requires accurate mathematical models and closed-loop control algorithms. Since the emulator must also interact with fast dynamic systems, such as inverters with maximum power point tracking (MPPT) functionalities, it requires a fast closed-loop response to ensure realistic dynamic testing and avoid unwanted interactions. It must also maintain a stable voltage and current outputs under highly varying load conditions, as well as having a high efficiency to limit temperature elevation in the laboratory environment (e.g., electrical cabinet). A DC-DC power electronics converter is typically at the emulator's core. Its main functions are power flow control, galvanic isolation, and voltage and current level adaptation. The single-phase dual active bridge (1p-DAB) topology shows great potential for this application, as it naturally meets all three functions, in addition to providing great control flexibility and high efficiency thanks to its zero-voltage switching (ZVS) capabilities. This document proposes a design approach enabling the use of the 1p-DAB converter topology as the core component of a solar emulator for a small-scale ship-testing microgrid. The emulator consists of a closed-loop 1p-DAB converter, with its input port which will, in the final application, be connected to a DC voltage source, and its output port will be connected to a ship's test microgrid via an inverter with MPPT control. The outer control loop is composed of a solar station model generating an output voltage reference calculated to mimic the PV module's behavior under time-varying temperature and irradiance. The output current feedback allows the solar station model to adapt the voltage reference to ensure that the converter's output voltage follows the solar module's current-voltage characteristic against output current perturbations. The inner loop comprises a high-bandwidth proportional integral (PI) controller, and feedback from the output voltage used to control the phase shift between the two bridges of the 1p-DAB converter to allow the output voltage of the emulator to dynamically follows the voltage reference calculated by the solar station model. The proposed design approach is broken down into three main steps: 1) formulation, implementation, and validation of a solar station model that can be solved in the time-domain using MATLAB® Simulink, allowing the emulator to adjust its output voltage in response to changes in output current and setpoints of irradiance and temperature, 2) development of a steady-state model of the 1p-DAB converter to calculate its key design parameters and select the main components, as well as to evaluate its operating regions (particularly the ZVS regions) based on the constraints of the solar station emulation function for the ship testing microgrid under study, 3) development and implementation of a small-signal model in the frequency-domain to design the internal regulation loop for the output voltage of the converter, based on the desired dynamics for the ship testing microgrid. A full-scale 8 kW, 400 V to 400 V converter prototype is then designed following this approach and manufactured based on a reference design developed by Texas Instrument . It uses Silicon Carbide (SiC) transistors and a planar isolation transformer, making it both efficient and compact, which are two key factors for the targeted laboratory environment. The proposed design approach is validated through time-domain simulations using the Simscape Electrical tool in MATLAB® Simulink, as well as laboratory tests on the prototype. The results demonstrate the potential of using the 1p-DAB topology for this application. Specifically, simulation results show that the emulator can accurately follow the current-voltage characteristic of the solar station under steady-state conditions, and that the converter's response time can be fast enough to meet the application's needs (< 10 ms stabilization time) if the regulation loop is properly designed. Experimental results highlight the importance of ensuring that both active bridges of the 1p-DAB converter operate within their respective ZVS region to ensure a good efficiency, especially under heavy load. -- Mot(s) clé(s) en anglais : Solar PV energy, PV emulator, ship, microgrid, power electronics, dual active bridge converter.

Type de document :	Thèse ou mémoire de l'UQAR (Mémoire)
Directeur(trice) de mémoire/thèse :	Berger, Maxime
Co-directeur(s) ou co-directrice(s) de mémoire/thèse :	Bahoura, Mohammed
Information complémentaire :	Mémoire présenté dans le cadre du programme de maîtrise en ingénierie en vue de l'obtention du grade de maître ès sciences appliquées (M. Sc. A.).
Mots-clés :	Systèmes photovoltaïques - Bateaux; Panneaux solaires - Bateaux; Émulateurs (Logiciels) - Bateaux; Électronique de puissance - Appareils et matériel - Bateaux; Navires - Équipement; Convertisseur à double pont actif; Émulateur photovoltaïque.
Départements et unités départementales :	Département de mathématiques, informatique et génie > Génie
Date de dépôt :	12 mars 2026 15:16
Dernière modification :	12 mars 2026 15:16
URI :	https://semaphore.uqar.ca/id/eprint/3480