04 Décembre – Soutenance de thèse - Samuel Jupin

10 h Visioconférence intégrale

Contrôle avancé des convertisseurs de puissance pour applications sur réseau faible.

Avec l’avènement des micros-réseaux incorporant les sources d’énergie renouvelable, un nouveau paradigme apparaît dans la distribution de l’électricité. Ces nouvelles architectures interfacent des consommateurs non contrôlés à des sources d’énergie intermittentes, plaçant de fortes contraintes sur les étapes de conversion, stockage et gestion de l’énergie.
Les convertisseurs de puissance s’adaptent avec en particulier le développement des convertisseurs multiniveaux, qui supportent à composants égaux des puissances plus importantes que leurs prédécesseurs et assurent une meilleure qualité de l’énergie, mais dont le contrôle gagne en complexité.
Du fait de leur nature hybride, le contrôle des convertisseurs de puissance est traditionnellement scindé en deux parties. D’un côté les objectifs continus liés à la fonction principale d’interfaçage des convertisseurs, de l’autre le pilotage des interrupteurs quantifiés qui le forment, la modulation.
Dans ce contexte, les exigences croissantes en rendement, fiabilité, polyvalence et performance imposent un gain conséquent d’intelligence de l’ensemble de l’architecture de contrôle. Pour répondre à ces exigences, nous proposons de traiter à la fois les objectifs liés à la fonction d’interface des convertisseurs et ceux rattachés à leur nature avec un unique contrôleur. Cette décision implique d’incorporer la non-linéarité des convertisseurs de puissance au contrôleur. Une approche de Contrôle à Modèle Prédictif (MPC)  a été retenue pour traiter cette non-linéarité ainsi que la diversité d’objectifs de contrôle qui accompagne les convertisseurs.
L’algorithme développé combine la théorie des graphes, avec divers algorithmes comme ceux de Dijkstra et A* à un modèle d’état spécialisé pour les systèmes à commutation, formant ainsi un outil puissant et universel capable de manipuler et la nature discrète des interrupteurs de puissance et celle continue de son environnement. L’étude du modèle d’état utilisé pour les convertisseurs de puissance comme systèmes commutants conduit à des résultats concernant la stabilité et la contrôlabilité de ces systèmes.
Le contrôleur obtenu est éprouvé en simulation, face à des cas d’applications variés : onduleur isolé ou connecté à un réseau, redresseur et convertisseur bidirectionnel. La même structure de contrôle est confrontée à chacune de ces situations pour trois topologies multi-niveaux : Neutral Point-Clamped, Flying Capacitor et Cascaded H-Bridge. La capacité d’adaptation du contrôleur est regroupée dans deux étapes : la prédiction, qui utilise le modèle du convertisseur, et la fonction de coût, qui traduit le cahier des charges en un problème d’optimisation résolu par l’algorithme. Changer de topologie implique de modifier le modèle, sans impact sur la fonction de coût, tandis que modifier cette fonction suffit à s’adapter aux différentes applications.
Les résultats montrent que le contrôleur pilote directement les interrupteurs de puissance en fonction des objectifs. Les performances générales de cette structure unique sont comparables à celles des structures multiples utilisées pour chacun des cas étudiés, à l’exception notable du fonctionnement redresseur, où la rapidité et l’étendue des possibilités sont tout particulièrement intéressants.
En conclusion, le contrôleur développé est capable de traiter un grand nombre d’applications, topologies, objectifs et contraintes. Alors que les modifications du cahier des charges ou des conditions de fonctionnement impactent souvent profondément les structures de contrôle linéaire, ces altérations ne modifient pas l’architecture du contrôleur MPC développé. Cela illustre la polyvalence de la solution proposée ainsi que son universalité, démontrée davantage par la capacité à s’adapter à des convertisseurs de puissance différents et sans modifications. Finalement, la complexité de la modulation est toute incluse dans la structure, offrant un gain de simplicité et de flexibilité au design du contrôle.

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