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.

Dans le domaine du transport de l'électricité, les qualités intrinsèques des réseaux alternatifs s'estompent devant la difficulté imposée par le transport de la puissance réactive lorsque les lignes aériennes ou, plus particulièrement, les câbles souterrains ou sous-marins atteignent des longueurs critiques. Dans le cadre des réflexions visant à exploiter au mieux les énergies renouvelables d'origine éolienne off-shore ou hydrolienne, l'hypothèse de la création d'un réseau électrique à haute tension continue pour acheminer ces énergies jusqu'aux centres de consommation est considérée. Ce travail de thèse est en lien avec le projet européen TWENTIES (Transmission system operation with large penetration of Wind and other renewable Electricity sources in Networks by means of innovative Tools and Integrated Energy Solutions, ref 249812), financé dans le cadre du programme FP7 de la Commission Européenne. Ces travaux traitent de la protection des réseaux à courant continu contre les défauts d'isolement dans les câbles et au niveau des jeux de barre. L'étude se concentre sur des réseaux multi-terminaux bouclés et/ou maillés, et propose d'étudier la faisabilité d'un plan de protection comportant un algorithme principal et un secours en cas de défaillance d'un disjoncteur.

Ce travail de thèse a pour finalité de présenter différentes méthodologies pour l’analyse de réseaux à courant continue haut tension (HVDC). La théorie fondamentale de l‘analyse de sensitivité s’applique sur l’analyse des systèmes électriques de puissance dans les différentes étapes de la production et la transmission de l’énergie. Des outils de bases concernant cette théorie sont devenus populaires et très utilisés.En pratique, les facteurs de participation représentent un exemple de ces outils, utilisés depuis longtemps. Ils ont été proposés par (Perez-Arriaga et al., 1982). Le but des facteurs de participation est la réduction des modèles des systèmes ayant une dynamique particulière comme celle des systèmes électromécaniques. Aussi, les facteurs de participation sont utilisés pour comprendre les relations entre les variables d’état et les valeurs propres des systèmes. Nous présentons la théorie fondamentale de la sensitivité analytique dans laquelle les facteurs de participation sont basses. Pour une bonne compréhension de ces éléments de base de cette théorie, quelques exemples sont présentés. Nous présentons une formulation différente pour l’analyse par sensitivité paramétrique (Barrera Gallegos et al., 2016).Enfin, les deux méthodologies sur des exemples des réseaux HVDC. Notre comparaison permet d’exposer les limites de l’utilisation des facteurs de participation sur des réseaux HVDC.En conclusion, la nouvelle méthodologie est plus générale comparée aux facteurs de participation. Egalement, la nouvelle méthodologie, par sensitivité paramétrique, nous donne plus d’informations sur les caractéristiques dynamiques des réseaux HVDC. / The work presented in this thesis presents different methodology for parametric sensitivity of high voltage dc networks(HVDC).The fundamental theory of modal analysis has been applied for analysis of the power electrical systems in its different stages of production and transmission of energy. Tools derived from these fundamentals have become popular with its use. Among the tools used in dynamic analysis, participation factors have been used for a long time. Proposed by (Perez-Arriaga et al., 1982), they give a metric for relating states and eigenvalues of a system. The objective of the participation factors is to analyze systems with particular dynamics such as electromechanical systems. The participation factors is a tool that helps in the reduction of systems. Firstly, we present the fundaments of the sensitivity analysis upon which the participation factors are based on. The principle is illustrated with several examples.We propose a new formulation for sensitivity analysis using parametric sensitivity (Barrera Gallegos et al., 2016).In the latter, the application of participation factors and parametric sensitivity analysis is performed using HVDC networks. This comparison exposes the limitation of the participation factors for the general analysis of HVDC grids.In conclusion, the new methodology is a better and general alternative compared to traditional participation factors employed for analysis of HVDC grids. In addition, the new technique of parametric sensitivity produces several novel information related to the dynamic characteristics of the HVDC grid.

Dans le domaine du transport de l'électricité, les qualités intrinsèques des réseaux alternatifs s'estompent devant la difficulté imposée par le transport de la puissance réactive lorsque les lignes aériennes ou, plus particulièrement, les câbles souterrains ou sous-marins atteignent des longueurs critiques. Dans le cadre des réflexions visant à exploiter au mieux les énergies renouvelables d'origine éolienne off-shore ou hydrolienne, l'hypothèse de la création d'un réseau électrique à haute tension continue pour acheminer ces énergies jusqu'aux centres de consommation est considérée. Ce travail de thèse est en lien avec le projet européen TWENTIES (Transmission system operation with large penetration of Wind and other renewable Electricity sources in Networks by means of innovative Tools and Integrated Energy Solutions, ref 249812), financé dans le cadre du programme FP7 de la Commission Européenne. Ces travaux traitent de la protection des réseaux à courant continu contre les défauts d'isolement dans les câbles et au niveau des jeux de barre. L'étude se concentre sur des réseaux multi-terminaux bouclés et/ou maillés, et propose d'étudier la faisabilité d'un plan de protection comportant un algorithme principal et un secours en cas de défaillance d'un disjoncteur. / In the area of power transmission grids, the inherent qualities of alternative current networks fade behind the difficulty imposed by the transmission of the reactive power when overhead lines or, particularly, underground or undersea cables reach critical lengths. As part of thought aimed for operate at best renewable energy resources, namely wind or marine resources, the assumption of the creation of a high voltage direct current power grid to dispatch those energies to the consumption centers is considered. This Ph.D work is linked to the European project TWENTIES (Transmission system operation with large penetration of Wind and other renewable Electricity sources in Networks by means of innovative Tools and Integrated Energy Solutions, ref 249812), funded as a part of the 7th framework program of the European Commission. This work deal with the protection of DC grids against insulation faults occurring in the cables or at a busbar. The study focusses on meshed and/or looped multi-terminal grids, and proposes to study the feasibility of a protection plan including a main protection algorithm and a backup in case of breaker failure.

Ces travaux de thèse portent essentiellement sur la modélisation, l’analyse et la commande des convertisseurs de type MMC intégrés dans un contexte MTDC. Le premier objectif de ce travail est d’aboutir à un modèle dynamique du convertisseur MMC, exprimé dans le repère $dq$, permettant d’une part, de reproduire avec précision les interactions AC-DC, et d’exprimer, d’autre part, la dynamique interne du convertisseur qui peut interagir également avec le reste du système. Le modèle développé peut être linéarisé facilement dans le but de l’exploiter pour l’étude de stabilité en se basant sur les techniques pour les systèmes linéaires à temps invariant. Ensuite, selon le modèle développé dans le repère dq, différentes stratégies de contrôle sont proposées en fonction de systèmes de contrôle-commande existantes dans la littérature mis en places pour le convertisseur MMC. Étant donné que l’ordre du système est un paramètre important pour l'étude des réseaux MTDC en présence de plusieurs stations de conversion de type MMC, l’approche de réduction de modèles à émerger comme une solution pour faciliter l’étude. En conséquence, différents modèles à ordre réduit sont développés, et qui sont validés par la suite, par rapport au modèle détaillé, exprimé dans le repère dq. Finalement, les modèles MMC développés ainsi que les systèmes de commande qui y ont associés sont exploités, pour l’analyse de stabilité en petits signaux des réseaux MMC-MTDC. Dans ce sens, la stratégie de commande associée à chaque MMC est largement évaluée dans le but d’investiguer les problèmes majeurs qui peuvent surgir au sein d’une configuration MTDC multi-constructeurs / This thesis deals with the modeling and control of MMCs in the context of MTDC. The first objective is to obtain an MMC model in dq frame which can reproduce accurately the AC- and DC- interactions, while representing at the same time the internal dynamics which may interact with the rest of the system. This model is suitable to be linearized and to study its stability, among other linear techniques. Then, based on the developed dq model, different control strategies are developed based on the state-of-the-art on MMC controllers. Since the order of the system may be a limiting factor for studying MTDC grids with many MMCs, different reduced-order models are presented and compared with the detailed dq model. Finally, the developed MMC models with different controllers are used for the MTDC studies. The impact of the chosen controllers of each MMC is evaluated, highlighting the potential issues that may occur in multivendor schemes.