Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 52 réf.

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie électrique : Toulouse, INPT : 2007. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. 87 réf.

Thèse de doctorat : Génie électrique : INPL : 2009. / Titre provenant de l'écran-titre.

Les évènements climatiques de ces dernières années ont encouragé de nombreux pays à augmenter la part des énergies renouvelables et non génératrices de gaz à effets de serre. Cependant, pour faciliter leur intégration à grande échelle, le besoin d’un super réseau européen se fait sentir. Ce nouveau réseau, principalement basé sur du courant continu sous haute tension (HVDC) nécessitera l’utilisation de convertisseurs DC-DC. Par conséquent, ce mémoire propose et étudie des topologies basées sur l’association de convertisseurs DC-DC élémentaires isolés. Il est organisé en une introduction, 3 chapitres et une conclusion. Dans l’introduction, un état de l’art est réalisé sur les technologies actuellement mises en oeuvre dans les applications HVDC. Le contexte de l’étude, lié au développement des réseaux DC interconnectés et maillés est ensuite développé. Dans le premier chapitre, des solutions basées sur l’association de convertisseurs DC DC élémentaires isolés sont étudiées puis comparées en termes de dimensionnement des éléments réactifs et de rendement. Cette étude nous a permis de sélectionner trois topologies pour la suite de notre travail. Dans le deuxième chapitre, nous évoquons tout d’abord les différentes problématiques pouvant apparaitre lors de la mise en oeuvre des solutions proposées. Dans un second temps, en prenant une ferme éolienne offshore comme cas d’application, les solutions proposées sont comparées en termes de pertes et de nombre de composants avec une topologie basée sur une association de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) utilisés dans les réseaux HVDC. Le troisième chapitre présente l’étude et la mise en oeuvre de deux prototypes de convertisseur DC-DC isolés, d’une puissance de 100 kW et fonctionnant sous une tension de 1,2 kV. Ces prototypes ont permis de valider expérimentalement les performances des topologies étudiées dans le premier chapitre. Finalement, la dernière partie propose une conclusion des travaux présentés dans cette thèse. Ces travaux nous ont permis de montrer que les solutions proposées présentent un intérêt pour le cas d’application sélectionné. / The catastrophic environmental effects seen in the last couple of decades have encouraged many countries to increase the proportion of C02-free energy from renewable sources. However, for the easier integration of these energies on a large scale, the need of a European SuperGrid has emerged. This new grid, mainly based on High-Voltage- Direct-Current (HVDC) will require the use of DC-DC converters. Therefore, this manuscript proposes and studies topologies based on the association of isolated elementary DC-DC converters. It is organized in one introduction, 3 chapters and one conclusion. In the introduction, a state-of-the-art of the technologies currently used in HVDC applications is proposed. The context of the study, linked to development of the meshed DC grids, is developed afterwards. In the first chapter, solutions based on the association of elementary isolated DC-DC converters are studied and then compared in terms of reactive components sizing and efficiency. This study permitted the selection of three topologies for the rest of our work. In the second chapter, we mention the issues which may appear during the implementation of the solution. Then, by taking an offshore wind farm as application case, the solution is compared, in terms of loss and component number, with a topology based on the association of Modular Multilevel Converters (MMC) currently used in HVDC grids. The third chapter presents the study and the implementation of two 100 kW DC-DC converter prototypes, operating at 1.2 kV. These prototypes allowed the experimental validation of the performances of the topologies studied in the first chapter. Finally, the last part proposes a conclusion of the work achieved in this thesis. This work allowed it to be shown that the proposed solutions are interesting for the selected application case.

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La modélisation et la commande des convertisseurs de type continu/continu occupent une place de plus en plus importante dans le domaine de l'électronique de puissance. La « modélisation moyenne » est la plus courante. C'est un outil efficace permettant d'analyser le comportement dynamique global d'un convertisseur et de dégager les principaux phénomènes physiques intervenant sur ce comportement. Les modèles moyennés en espace d'état sont largement acceptées dans la pratique, principalement de par leur simplicité, leur généralité et leur utilité pratique qui n'est plus à démontrer. Divers modèles moyennés ont été présentés dans la littérature spécialisée. Il subsiste cependant quelques questions fondamentales en ce qui concerne les méthodologies moyennes qui n'apportent pas toujours une réponse satisfaisante. Ces problèmes non résolus de modélisation touchent essentiellement à la validation pratique, à l'intégration des parasites du circuit électrique réel et à l'application à la conception de la boucle de commande. L'une des principales préoccupations de cette thèse est d'étudier et d'évaluer les performances de la modélisation moyenne des convertisseurs dc/dc en vue de leur commande. En particulier, l'accent est mis sur l'étude théorique et expérimentale des modèles moyennés en mode de conduction discontinu (DCM). Divers modèles moyens analytiques de différents ordres, présentés dans la littérature, sont reformulés en incluant les parasites. Leur validité relative est examinée expérimentalement par rapport à un prototype physique.<br />En ce qui concerne la commande, la stabilité est d'une importance capitale dans tout système de régulation de tension. Toutefois, assurer la stabilité en boucle fermée n'est pas évident en présence d'un filtre en entrée du convertisseur. L'origine de ce problème réside dans l'interaction du filtre avec le comportement du convertisseur dc/dc de type « résistance dynamique négative ». La littérature fournit une solution pour résoudre ce problème et propose une solution « passive » pour amortir les oscillations liées au filtre d'entrée. La valeur de la résistance d'amortissement nécessaire peut être déterminée en utilisant un modèle de convertisseur idéal. Toutefois, cette valeur n'est pas systématiquement confirmée par l'expérience. Dans cette thèse, des fonctions de transfert en régime de petits signaux sont utilisés pour formuler systématiquement des règles de dimensionnement pour éviter l'instabilité. Les régions de la stabilité sont déterminées en fonction des paramètres du circuit d'amortissement. Cette approche est étendue au cas de convertisseurs en cascade. Tout au long de cette étude, la modélisation moyenne en petit-signal est utilisée pour l'analyse de la stabilité.<br />Bien que l'ajout d'une résistance suffisante assure la stabilité, l'amortissement passif est critiquable à cause de pertes énergétiques indésirables dans les résistances utilisées. Afin d'en étudier les retombées sur le rendement du convertisseur, les pertes dues à l'amortissement sont quantifiées d'une manière plus systématique dans cette thèse. Une analyse théorique de ces pertes est présentée dans diverses conditions de fonctionnement. La validation expérimentale est toujours présente. Les résultats obtenus sont généralisés à toutes les topologies fondamentales de convertisseurs.<br />L'un des principaux thèmes de cette thèse touche au développement d'une commande assurant la stabilité du convertisseur dc/dc avec son filtre d'entrée sans utiliser d'amortisseur dissipatif.<br />Afin d'atteindre cet objectif, une solution avec commande par retour d'état et placement des pôles est proposée. Un modèle moyen d'ordre élevé est mis en place pour concevoir un correcteur qui combine le retour d'état avec une boucle PI. L'efficacité de l'algorithme de commande proposé est démontrée par des résultats de simulation. Il apparaît que des performances dynamiques intéressantes peuvent être atteintes en présence de grandes perturbations en utilisant un retour d'état avec gains variables. En outre, cette stratégie de commande assure la stabilité du système sans composant passif additionnel dans le filtre d'entrée et sans pertes supplémentaires. Ensuite, dans un deuxième temps, une commande par mode-glissement basée sur l'approche de la fonction de Lyapunov est discutée, laquelle est présentée dans la litérature pour l'ensemble abaisseur-filtre. Nous discutons les performances de la commande par retour d'état, proposée dans cette thèse, comparées à celles d'un contrôleur mode-glissant.