Modélisation et commande des convertisseurs multiniveaux hybrides à base de supercondensateurs - Application aux systèmes multi-sources connectés au réseau éléctrique
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Abstract EN:
The integration of Renewable Energy Sources is becoming more and more widespread into low and high-power networks which lead to new challenges in the management of multi-source systems. This thesis focuses on the modeling and the control of hybrid multilevel converters. The targeted applications are multi-source networks with energy storage systems. The objectives are to ensure two main functions: the continuity of energy transfer from a continuous renewable source to the grid and the compensation of power fluctuations on the AC bus. The research in this paper was carried out on the study, the modelling and the control of three hybrid DC-AC converter structures. Initially, a supercapacitor storage system is directly connected to the DC bus of a two-level voltage inverter. To achieve our goals, a feedback control condition with the integration of the deviation using the LMI's approach has been implemented. This control law ensures system stability with a variable voltage on the DC bus. Then, the conventional inverter was replaced by a FC multilevel inverter. This second structure allowed us to satisfy the same objectives with a higher voltage quality and a smaller filter inductance. Thanks to a redundant state selection table, the intermediate voltages across flying capacitors remain well balanced in all operation modes. Finally, supercapacitors are integrated into the converter in order to get an internal storage system and avoid the exchange of power with the DC side. To do this, the flying capacitors were replaced by supercapacitors and 3 new switches were added per leg. An experimental prototype of the proposed inverter has been built in the LIAS laboratory. The experimental results, from the three test benches, correlate and confirm the important contribution of this hybridization on the power fluctuations and the voltage drops during a sudden power variation on the AC line.
Abstract FR:
La généralisation des énergies renouvelables et leurs intégrations dans les réseaux de faible ou de grande puissance induit des nouveaux challenges dans la gestion et la conduite des systèmes multi-sources. Cette thèse porte sur la modélisation et la commande des convertisseurs multiniveaux hybrides. Les applications visées sont les réseaux multi-sources avec stockage de l'énergie. Les objectifs étant d'assurer deux fonctions principales : la continuité de transfert d'énergie d'une source continue renouvelable vers le réseau électrique et la compensation des fluctuations de puissance sur le bus alternatif. Les travaux de recherche dans ce mémoire ont été menés sur l'étude, la modélisation et la commande de trois structures de convertisseurs DC-AC hybrides. Dans un premier temps, nous avons utilisé des super condensateurs comme système de stockage d'énergie sur le bus DC d'un onduleur à 2-niveaux de tension. Pour répondre à nos objectifs, une commande par retour d'état avec l'intégration de l'écart en utilisant l'approche des inégalités matricielles (LMI) a été mise en place. Cette loi de commande permet d'assurer la stabilité du système avec une tension variable sur le bus continu. Ensuite, l'onduleur classique a été remplacé par un onduleur multi-niveaux à condensateurs flottants. Cette deuxième structure nous a permis de satisfaire les mêmes objectifs avec une tension de sortie de meilleur qualité et une inductance de filtrage plus petite. Grâce à une méthode d'équilibrage par la sélection de l'état redondant, les tensions intermédiaires des condensateurs flottants restent bien équilibrées dans tous les modes de fonctionnement. Enfin, nous avons intégré ce dispositif de stockage dans le convertisseur afin d'avoir un stockage d'énergie interne et non pas sur le bus continu. Pour ce faire, les condensateurs flottants ont été remplacés par des super-condensateurs et 3 nouveaux interrupteurs ont été rajoutés par bras. Un prototype de l'onduleur proposé a été réalisé sein du laboratoire LIAS. Les résultats expérimentaux, issus des trois bancs d'essais, viennent corréler et confirmer l'apport important C.