Les enjeux énergétiques liés à la qualité de la distribution de l'énergie électrique nécessitent le développement des dispositifs de filtrage actif des réseaux électriques. L'objectif de la thèse est d'utiliser un convertisseur multicellulaire afin d'obtenir une source de courant avec une très bonne bande passante (pour compenser les courants perturbateurs). Une commande directe et prédictive est appliquée à un onduleur multicellulaire à 4 niveaux. Ce type de commande permet d'utiliser au mieux les avantages fréquentiels de cette structure de conversion d'énergie. L'utilisation de cet onduleur pour une application de filtrage actif se révèle très efficace au niveau de la compensation des harmoniques de courant. Un prototype expérimental, développe dans le cadre de la thèse nous permet de valider nos résultats obtenus tout d'abord en simulation.

Les enjeux énergétiques liés à la qualité de la distribution de l'énergie électrique nécessitent le développement des dispositifs de filtrage actif des réseaux électriques. L'objectif de la thèse est d'utiliser un convertisseur multicellulaire afin d'obtenir une source de courant avec une très bonne bande passante (pour compenser les courants perturbateurs). Une commande directe et prédictive est appliquée à un onduleur multicellulaire à 4 niveaux. Ce type de commande permet d'utiliser au mieux les avantages fréquentiels de cette structure de conversion d'énergie. L'utilisation de cet onduleur pour une application de filtrage actif se révèle très efficace au niveau de la compensation des harmoniques de courant. Un prototype expérimental, développé dans le cadre de la thèse, nous permet de valider nos résultats obtenus tout d'abord en simulation.

Ce manuscrit est consacré à la dépollution des réseaux électriques par les filtres actifs. Dans un premier temps, le filtre actif parallèle triphasé trois fils à structure tension y est étudié théoriquement, par simulation, puis expérimentalement. Une nouvelle stratégie de commande, basée sur la méthode des puissances instantanées et mettant en œuvre des « filtres multi-variables » est étudiée. Trois types de contrôleurs de courant sont envisagés : hystérésis classique, hystérésis modulée et MLI. L’hystérésis modulée est retenue car elle garantit simultanément la robustesse du système et une fréquence de commutation fixe. Un banc expérimental a permis de conforter les résultats obtenus par simulation. Ensuite, le filtre hybride parallèle (FHP) triphasé et l’optimisation de sa commande ont été examinés. L’objectif majeur est d’améliorer les performances de filtrage tout en s’attachant à minimiser la complexité de la commande. Le filtre hybride étudié est constitué d’un filtre actif triphasé à structure tension connecté en série avec un filtre triphasé passif de type LC, accordé sur l’harmonique 7. Nous avons proposé une première modification (commande dite « simplifiée ») de la commande classique dans le référentiel lié au synchronisme en introduisant des « filtres multi-variables » au lieu des filtres d’extraction classiques des deux boucles de contrôle, dites « feedback » et « feedforward ». Cette modification nous a permis de réduire considérablement la complexité de l’algorithme de commande (suppression de la PLL de la boucle « feedforward ») tout en améliorant les performances du filtrage. Ensuite, la PLL de la boucle « feedback » a également été supprimée. Ces optimisations ont conduit à des résultats de simulation très satisfaisants en terme de THD. Une nouvelle commande du filtre hybride à trois bras a également été proposée. La boucle feedforward est alors divisée en deux boucles. La première est destinée à supprimer l’harmonique 5 et l’autre l’harmonique 7 alors que le filtre passif est alors accordé sur l’harmonique 11. Les résultats de simulation obtenus sont très satisfaisants. Pour conclure cette étude théorique, nous avons étudié une nouvelle topologie de filtre hybride basée sur un onduleur triphasé à deux bras avec un condensateur à point milieu. Un flot de conception et d’implantation sur cible FPGA de commandes numériques de systèmes de puissance a été appliqué au cas de la commande dite « simplifiée » du FHP. Chaque étape a été détaillée et validée soit par simulation en mode continu ou en mode discret, soit expérimentalement lors de la programmation finale d’un composant FPGA de type Stratix II de la famille Altera, intégrant l’ensemble de la commande numérique du FHP. / In this thesis, and with the aim to improve the power quality, we have theoretically and experimentally studied two types of filtering, the shunt active power filter and hybrid, passive and active power filter. The modelling and simulation of a parallel active filter with three types of current controllers (MLI, classical hysteresis and modulated hysteresis) are first studied. The behavior of the active filter under transient conditions is also presented. Then, we have experimentally validated the simulation results obtained for the modulated hysteresis. The test bench consists of a parallel active filter, a non-linear load, a digital control system DSPACE (DS1104) and an analog card. Next, we studied by modelling and simulation the hybrid filter. For both cases, the use of multi-variable filter improves the filtering performances. An experimental prototype called "FPGA in the Loop" has been implemented to validate digital control of hybrid filter. In addition, a comparison between the two filters has been realised in order to find the best way to reduce network harmonic currents.

Cette thèse concerne la synthèse de lois de commandes et d'observateurs pour l'onduleur de tension triphasé sans neutre raccordé. Celle-ci comporte 4 volets. Le premier volet donne les éléments de modélisation de l'onduleur ainsi que sa représentation dans des différents repères de coordonnées, puis les applications auxquelles on s'intéresse, à savoir la compensation d'énergie réactive et le filtrage actif. La deuxième partie est dédiée à la synthèse d'une loi de commande dite directe à structure variable basée sur le simplexe minimal. Nous y avons surmonté certains des problèmes d'ambiguïté rencontrés dans des approches classiques quand vient le moment de choisir les vecteurs de commande à appliquer. Des comparaisons avec une méthode classique de commande à hystérésis sont présentées afin de mettre en évidence ses principales propriétés. Dans la troisième partie nous présentons une amélioration à la commande directe basée sur le simplexe minimal, qui nous permettra de maîtriser parfaitement la fréquence de commutation et de confiner ainsi le spectre de découpage des courants côté alternatif. Les résultats obtenus ont été encore améliorés par l'introduction d'une compensation des retards induits par l'échantillonnage de la mesure. L'implémentation des algorithmes proposés sur un banc expérimental a confirmé la justesse de résultats théoriques et autres simulations. La dernière partie porte sur l'étude de deux types d'observateurs non linéaires (un observateur de type Kalman et un observateur de type modes glissants) appliqués à l'onduleur de tension, et ce, à des fins de diagnostique (redondance analytique) ou d'économie de capteurs. Des analyses sont présentées pour deux cas en particulier, à savoir l'estimation de la tension du bus continu à partir des mesures des courants du côté alternatif, puis l'observation des courants du côté alternatif à partir de la mesure de la tension continue.

L’alimentation de charges non linéaires par une source d’alimentation, dans un réseau électrique, est fréquemment soumise à des perturbations et/ou déséquilibres du courant d’alimentation reçu par la charge. Les perturbations du courant d’alimentation désignent la présence d’harmoniques dans le courant d’alimentation, celui-ci n’étant alors pas sinusoïdal, ainsi que la présence d’une puissance réactive trop importante circulant sur le réseau. Les déséquilibres du courant d’alimentation se traduisent, dans un réseau polyphasé, par une mauvaise répartition des courants d’alimentation dans les différentes phases induisant un courant non nul dans le neutre côté source. En outre, dans un réseau électrique de type réseau public de distribution, ces perturbations ou déséquilibres peuvent être soumis à une réglementation du fournisseur d’énergie, c’est ainsi qu’il est utile de mettre en place un dispositif efficace pour minimiser ces perturbations et déséquilibres afin d’améliorer la qualité de l’énergie électrique. Le filtrage actif est une solution efficace qui consiste à injecter un courant adapté sur le réseau pour réduire les perturbations. Toutefois, les solutions actuelles ne permettent pas d’équilibrer les courants d’alimentation de manière efficace, et peuvent même s’avérer inefficaces pour réduire les perturbations si les tensions d’alimentation sont déséquilibrées. En outre, ces solutions ne sont généralement pas utilisable à la fois en monophasé ou en polyphasé, ni avec un fil de neutre. Le travail faisant l’objet de cette thèse vise à proposer une loi de commande générique, c’est-à-dire adaptable au cas monophasé, triphasé, polyphasé, pour un filtrage actif parallèle dont les performances (THD, facteur de déséquilibre, ..) sont améliorées par rapport à l’art existant surtout lorsque le réseau de distribution est perturbé. La recherche de solutions simples à implanter et robustes dans leur performance fait également partie de nos objectifs. La démarche est conduite par la voie de la simulation numérique et les propositions sont validées en laboratoire via une maquette expérimentale raccordée sur le réseau basse tension. A noter que les objectifs font apparaitre un caractère méthodologique fort, donnant lieu à de nombreuses déclinaisons tant par la nature du réseau (monophasé, triphasé, avec ou sans neutre, ..) que par les caractéristiques des perturbations (charges non-linéaires, déséquilibres, perturbations,....). / Feeding non-linear loads by a power source in an electric network is frequently subject to disturbances and / or unbalances in the supply current received by the load. The disturbances of the supply current denote the presence of harmonics, its waveform being non sinusoidal as well as the presence of too much reactive power circulating in the network. The unbalances in the supply current in a polyphase network (including three phase) manifest by a bad repartition of these supply currents in different phases resulting in a non-zero current in the neutral line at the source side. In addition, in a public distribution electrical network, these disturbances or unbalances may be subject to additional charges by the energy supplier, it is thus useful to implement an effective system to minimize these disturbances and unbalances in order to improve the quality of electrical energy. The active filter is an effective solution that consists in the injection of a suitable current into the network to reduce disturbance. However, the present solutions of active filters do not help to balance the supply currents efficiently, and may even be ineffective in reducing the disturbances if the supply voltages are unbalanced. Moreover, proposed solutions are generally not adapted to both single-phase or polyphase, or with a neutral wire. The work in this thesis aims to propose a generic control strategy for a shunt active filter, i.e. suitable for single-phase three phases and polyphase, whose performance (THD, unbalance factor...) are improved compared to the existing state of the art especially when the distribution system is disturbed. The quest for solutions simple to implement and robust in their performance is also part of our objectives. The proposed approach is conducted using computer simulation and validated on a laboratory experimental model connected to the low voltage network. Note that the objectives uncover a strong methodological trait, giving rise to many declensions by the nature of the network (single phase, three phases with or without neutral ...)

Cette thèse s’intéresse au problème de la qualité de l’énergie électrique sous l’angle particulier des harmoniques, leurs sources, leurs effets et les solutions permettant de les réduire. Deux solutions sont principalement considérées, les convertisseurs à indice de pulsation élevé et les filtres actifs. Ce travail a été mené en faisant porter l’accent sur le réseau électrique thaïlandais. C’est ainsi qu’une présentation de l’évolution de la façon dont l’électricité est produite, transportée et distribuée en Thaïlande est effectuée avant de décrire les contraintes imposées sur les harmoniques. Les différents systèmes de liaison à courant continu haute tension (CCHT) actuellement installés dans le monde sont rappelés avant de décrire en détails les différents composants et le contrôle de la liaison 300-600 MW existant entre la Thaïlande et la Malaisie. Après avoir ensuite présenté les différentes solutions envisageables de réduction des harmoniques, un exemple de réalisation, l’une des premières en Thaïlande utilisant un contrôle numérique, est détaillé afin d’illustrer les avantages de ce type de solution. La thèse se termine sur la présentation d’une méthode originale de modélisation des convertisseurs à indice de pulsation élevé. Cette modélisation repose sur une solution analytique exacte du problème d’état qui est considéré sur le plus petit intervalle permettant, en utilisant des propriétés de symétrie, de reconstruire la période de fonctionnement du dispositif. Le modèle ainsi développé donne des informations sur le fonctionnement du système tant dans les domaines fréquentiel que temporel / The problem of quality of electrical energy is the main object of this thesis. This problem is considered especially from the point of view of harmonics, sources, effects and solutions to reduce them. Two main solutions are considered, multi-pulse converters and active filters. This work is developed with a particular emphasis on the Thai electrical network. Then, the production, transmission and distribution system of electricity in Thailand and the harmonics regulations are presented. The different types of HVDC interconnection systems which are installed in the world today are detailed before presenting the 300/600 MW Thailand-Malaysia HVDC interconnection. After presenting the different possible solutions to avoid harmonics, a realized example, one of the first one developed in Thailand with a numerical control, is detailed to show the advantages of such a solution. The thesis ends on the presentation of an original modelling method of multi-pulse converters. The model is based on an exact analytical solution of the state problem which is considered on the smallest interval, which can, by using property of symmetry, rebuild the whole period. The result model gives the full information on the operation of the whole device both in time and frequency domains

Cette thèse est focalisée sur la conception et la réalisation d'un filtre CEM hybride intégré pour une application aéronautique. Les travaux effectués durant cette thèse sont réalisés dans le cadre d’un projet FRAE (Fondation de Recherche pour l’Aéronautique et l’Espace) intitulé FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l’INtégration en Aéronautique). Afin de protéger le réseau de bord des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées et répondre aux normes concernant la compatibilité électromagnétique (CEM) et plus particulièrement la norme aéronautique "DO160F [150KHz, 30MHz]», un filtre CEM est absolument nécessaire pour les cartes d’alimentations des dispositifs électroniques d’un avion. Les niveaux des perturbations générées par ce type d’équipement exigent une conception soignée pour assurer le filtrage des courants parasites qui se propagent en mode commun (MC) et en mode différentiel (MD). C’est pourquoi, la première partie du travail réalisé est consacrée à la modélisation électromagnétique de la carte d’alimentation utilisée comme support à cette étude. Cette modélisation est basée sur une représentation de type «boîte noire». Le modèle identifié est composé de sources de perturbations et d’impédances de MC et de MD équivalentes. Cette première étape permet de définir la structure électrique du filtre et les valeurs des composants à mettre en œuvre. Pour atteindre les performances requises, nous proposons dans ce travail un filtre CEM hybride optimisé, hybride signifiant qu’il est réalisé par association d’une partie purement passive et d’un filtre actif. Cette association permet de tirer le meilleur parti de chaque technologie de filtrage. Le filtre actif permet de traiter les perturbations à basses fréquences et la partie passive est dimensionnée pour les perturbations à hautes fréquences. Une intégration complète dans le circuit imprimé (PCB) des parties passives, capacitives et inductives, est proposée dans la deuxième partie de ce travail. Après avoir choisi les matériaux magnétique et diélectrique qui répondent au mieux au cahier de charge défini dans la première partie, plusieurs tests d’intégration dans le PCB ont été effectués. En prenant en compte la fragilité des matériaux magnétiques (ferrites), une géométrie plane qui répond aux spécifications a été proposée. Les principaux avantages de l'intégration proposée sont la réduction des effets inductifs et capacitifs parasites conduisant, de fait, à une augmentation des atténuations à hautes fréquences et l’augmentation de la compacité du filtre CEM. Nous démontrons que le filtre passif intégré réalisé réduit les interférences en MC et en MD dans la gamme de fréquences qui s'étend de 2,5MHz à 30MHz. Afin de compenser les tensions perturbatrices de mode différentiel jusqu’à 2,5MHz, une nouvelle topologie de filtre actif est proposée. Dans cette structure, l’injection des tensions de compensation des perturbations est effectuée à l’aide d’un enroulement auxiliaire ajouté aux enroulements couplés du filtre passif intégré. Les composants du filtre actif sont montés sur la face supérieure du PCB (composants CMS) dans lequel le filtre passif est intégré. L'assemblage du filtre hybride intégré (4 x 5 x 0,4 cm3) réduit les perturbations en MC et en MD dans la gamme de fréquence [150 kHz, 30 MHz]. Grâce à l'intégration et à l'optimisation de la topologie du filtre actif, le volume du filtre hybride est 75% plus faible que celui de l’ancien filtre CEM utilisé à l’entrée du convertisseur (4 x 5 x 1,6 cm3) tout en conservant un rendement élevé. / This thesis is focused on the design and implementation of a hybrid integrated EMC filter for aerospace application. The work performed in this thesis is carried out in the framework of FRAE project (Research Foundation for Aviation and Space) titled FEMINA (Electromagnetic Filtering and Materials for the INtegration in Aerospace). To protect the network board from both conducted and radiated electromagnetic interferences and to meet the standards for electromagnetic compatibility (EMC) and especially the aviation standard "DO160F [150 KHz, 30 MHz]," an EMC filter is absolutely necessary to the aircraft's electronic power supply board. The disturbance levels generated by this type of equipment require careful design to ensure the filtering of parasitic currents that propagate in common mode (CM) and differential mode (DM). Therefore, the first part of the work is devoted to the electromagnetic modeling of the power supply board used as support for this study. This modeling is based on a "black box" representation. The identified model is composed of equivalent disturbance sources and impedances in CM and DM. This first step leads to define the electrical structure of the filter and the component values. To achieve the required performances, an optimized hybrid EMC filter is proposed in this work- hybrid means an association of a purely passive part and active filter. This association will make the most advantage of each filtering technology. The active filter can handle disturbances at low frequencies and the passive part is designed to the high frequencies. Full integration within the printed circuit board (PCB) of passive parts, capacitive and inductive, is proposed in the second part of this work. After choosing the magnetic and dielectric materials that best meet the defined specifications in the first part, several integration tests on the PCB have been made. Considering the fragility of magnetic materials (ferrites), a planar geometry that meets the specifications has been proposed. The main advantages of the proposed integration are the reduction of inductive and capacitive parasitic effects lead to an increase the attenuation at high frequencies and to increase the compactness of the EMC filter. We demonstrate that the realizing of integrated passive filter reduces the CM and DM interference in the frequency range extending from 2.5 MHz to 30MHz. To compensate the differential mode interference voltages up to 2.5 MHz, a new topology of an active filter is proposed. In this structure, the injection of disturbances compensation voltage is performed using an auxiliary winding added to the coupled windings of integrated passive filter. The active filter components are mounted on the upper side of PCB (SMD components) in which the passive filter is integrated. The assembly of the integrated hybrid filter (4 x 5 x 0.4 cm3) reduces the CM and DM disturbances in the frequency range [150 kHz, 30 MHz]. Thanks to the integration and optimization of the active filter topology, the hybrid filter volume is 75% lower than that of the former EMC filter used at the input of the converter (4 x 5 x 1.6 cm3) while maintaining a high efficiency.

Dans ce mémoire, nous avons étudié les convertisseurs d’interface permettant l’interconnexion d’une source basse tension non linéaire et d’un bus DC moyenne tension. La source choisie, pour l’étude, était une pile à combustible de type PEM. La structure de puissance retenue correspondant à la mise en cascade d’un convertisseur entrelacé en entrée et d’un convertisseur trois niveaux en sortie. Afin de dimensionner au mieux le convertisseur global, nous avons proposé un modèle analytique permettant de connaitre l’ensemble des pertes dans le système en fonction du point de fonctionnement et de ses paramètres. Nous avons montré que l’ensemble des pertes dans le convertisseur peut être modélisé par deux résistances non linéaires dont l’estimation est possible à partir des modèles moyens du convertisseur. Une commande basée sur le concept de platitude des systèmes différentiels a été utilisée pour assurer les différentes contraintes du système tout en obtenant des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Dans la dernière partie du mémoire, nous nous sommes intéressés aux solutions permettant de satisfaire les contraintes sur le taux d’ondulation de courant en entrée du convertisseur. Nous avons proposé et dimensionné une nouvelle structure de convertisseur permettant de supprimer les ondulations de courant générées par le convertisseur de puissance. Ce filtre actif se connecte en parallèle avec le convertisseur de puissance. Des résultats expérimentaux ont permis de montrer que le taux d’ondulation de courant d’un convertisseur élévateur a été réduit, le taux d’ondulation de courant passant de 23.3% à 1.9% / In this thesis, we studied interface converters enabling the interconnection of a low voltage nonlinear source and a medium voltage DC bus. The source selected for the study was a fuel cell PEM. The chosen power architecture corresponds to a cascaded structure constituted with an interleaved Boost converter at input stage and a three-level Boost converter at output stage. To design the converter, we proposed an analytical model to know the total losses in the system according to the operating point and its parameters. We showed that all losses in the converter can be modeled by two nonlinear resistors. An estimation of these resistors, deduced from average model of the converter, is developed. A control based on the concept of differential systems flatness has been used for the proposed converter structure. It allows taking into account the different system constraints. High dynamic properties as regard to external perturbations or parameters variations are achieved. In the last part of the thesis, we investigate solutions to respect the constraints on the rate of input current ripple. We propose a new active filtering converter connected in parallel with the power one. We have shown that the ripple current of a boost converter was reduced, the ripple current being reduced from 23.3% to 1.9%

Cette thèse est focalisée sur la conception et la réalisation d'un filtre CEM hybride intégré pour une application aéronautique. Les travaux effectués durant cette thèse sont réalisés dans le cadre d'un projet FRAE (Fondation de Recherche pour l'Aéronautique et l'Espace) intitulé FEMINA (Filtrage Electromagnétiques et Matériaux pour l'INtégration en Aéronautique). Afin de protéger le réseau de bord des perturbations électromagnétiques conduites et rayonnées et répondre aux normes concernant la compatibilité électromagnétique (CEM) et plus particulièrement la norme aéronautique "DO160F [150KHz, 30MHz]", un filtre CEM est absolument nécessaire pour les cartes d'alimentations des dispositifs électroniques d'un avion. Les niveaux des perturbations générées par ce type d'équipement exigent une conception soignée pour assurer le filtrage des courants parasites qui se propagent en mode commun (MC) et en mode différentiel (MD). C'est pourquoi, la première partie du travail réalisé est consacrée à la modélisation électromagnétique de la carte d'alimentation utilisée comme support à cette étude. Cette modélisation est basée sur une représentation de type "boîte noire". Le modèle identifié est composé de sources de perturbations et d'impédances de MC et de MD équivalentes. Cette première étape permet de définir la structure électrique du filtre et les valeurs des composants à mettre en œuvre. Pour atteindre les performances requises, nous proposons dans ce travail un filtre CEM hybride optimisé, hybride signifiant qu'il est réalisé par association d'une partie purement passive et d'un filtre actif. Cette association permet de tirer le meilleur parti de chaque technologie de filtrage. Le filtre actif permet de traiter les perturbations à basses fréquences et la partie passive est dimensionnée pour les perturbations à hautes fréquences. Une intégration complète dans le circuit imprimé (PCB) des parties passives, capacitives et inductives, est proposée dans la deuxième partie de ce travail. Après avoir choisi les matériaux magnétique et diélectrique qui répondent au mieux au cahier de charge défini dans la première partie, plusieurs tests d'intégration dans le PCB ont été effectués. En prenant en compte la fragilité des matériaux magnétiques (ferrites), une géométrie plane qui répond aux spécifications a été proposée. Les principaux avantages de l'intégration proposée sont la réduction des effets inductifs et capacitifs parasites conduisant, de fait, à une augmentation des atténuations à hautes fréquences et l'augmentation de la compacité du filtre CEM. Nous démontrons que le filtre passif intégré réalisé réduit les interférences en MC et en MD dans la gamme de fréquences qui s'étend de 2,5MHz à 30MHz. Afin de compenser les tensions perturbatrices de mode différentiel jusqu'à 2,5MHz, une nouvelle topologie de filtre actif est proposée. Dans cette structure, l'injection des tensions de compensation des perturbations est effectuée à l'aide d'un enroulement auxiliaire ajouté aux enroulements couplés du filtre passif intégré. Les composants du filtre actif sont montés sur la face supérieure du PCB (composants CMS) dans lequel le filtre passif est intégré. L'assemblage du filtre hybride intégré (4 x 5 x 0,4 cm3) réduit les perturbations en MC et en MD dans la gamme de fréquence [150 kHz, 30 MHz]. Grâce à l'intégration et à l'optimisation de la topologie du filtre actif, le volume du filtre hybride est 75% plus faible que celui de l'ancien filtre CEM utilisé à l'entrée du convertisseur (4 x 5 x 1,6 cm3) tout en conservant un rendement élevé.