Ce travail de thèse s’inscrit dans la démarche engagée depuis quelques années et concernant l’intégration monolithique en électronique de puissance avec pour objectif de faire émerger une nouvelle structure de bras d’onduleur plus compacte, plus fiable et plus performante. En s'appuyant sur des technologies à base de transistors « complémentaires » sur substrat N et P, la nouvelle structure étudiée présente de nombreux avantages vis-à-vis de la CEM conduite, de la simplification de commande rapprochée et de la mis en œuvre. Ces aspects sont abordés et validés de manières "théoriques" et expérimentales. Le point pénalisant concernant le rendement de la structure par l’introduction du transistor sur substrat P est également analysé et de nouvelles topologies sont proposées afin d’améliorer cette limitation. Des techniques d’alimentation pour la commande bipolaire offrant un niveau maximal intégration sont ainsi développées. / The work presented in this Phd manuscript was targeted to the monolithic integration of the generic power stage of static converters with the goal of bringing out a new inverter leg structure. It is based on "complementary" transistors, N and P types, and it presents several advantages regarding the conducted EMC reduction, the simplification of the gate driver and its implementation. These aspects are studied and validated thanks to experimental results. The drawback concerning the lack of performance due to the introduction of the P type transistor is also analyzed. Several evolutions are proposed to improve the structure’s efficiency while maintaining the obtained advantages at their highest levels. Finally, bipolar gate driver supply techniques, offering high integration levels, are also developed.

Dans un contexte de développement des énergies renouvelables et des liaisons HVDC dans les systèmes électriques, les travaux présentés s’attachent au fonctionnement technique de tels systèmes. La génération éolienne, photovoltaïque et les liaisons HVDC sont interfacées par dispositifs d’électronique de puissance au réseau de transport électrique. Dès lors, serait-il envisageable d’alimenter la demande électrique uniquement via des sources électriques interfacées par des convertisseurs statiques ?Le pilotage du système électrique par électronique de puissance constitue un changement radical du fonctionnement dynamique des réseaux. La traditionnelle stratégie de commande « grid-following » des onduleurs a montré ses limites lorsque la pénétration de ces dispositifs devient importante. Elle doit être révisée au profit de stratégies dîtes « parallel grid-forming ».Dans cette thèse, les besoins fondamentaux du système électrique sont d’abord analysés pour définir les exigences de la stratégie « parallel grid-forming », ainsi que les défis associés. Selon ces spécifications, une méthode de synchronisation de sources « grid-forming » est ensuite proposée ainsi qu’un contrôle de tension, adapté aux limitations physiques des convertisseurs de tension PWM. La stabilité de la solution est discutée pour différentes configuration de réseau. Enfin, une stratégie de limitation du courant a été spécifiquement développée pour palier la sensibilité des VSC aux sur courants, lors d’évènements réseaux éprouvant. Les idées développées sur un convertisseur unique sont appliquées à petits réseaux afin d’extraire des interprétations physiques depuis des simulations temporelles / In the context of renewable energy and HVDC links development in power systems, the present work concerns the technical operations of such systems. As wind power, solar photovoltaics and HVDC links are interfaced to the transmission grid with power-electronics, can the system be operated in the extreme case where the load is fed only through static converters?Driving a power system only based on power electronic interfaced generation is a tremendous change of the power system paradigm that must be clearly understood by transmission grid operators. The traditional “grid-feeding” control strategy of inverters exhibits a stability limit when their proportion becomes too important. The inverter control strategy must be turned into a “parallel grid-forming” strategy.This thesis first analyses the power system needs, proposes the requirements for “parallel grid-forming” converters and describes the associated challenges. Accordingly, the thesis gives a method for designing a stable autonomous synchronization controls so that grid-forming sources can operate in parallel with a good level of reliability. Then, a method is proposed to design a voltage control for a grid-forming PWM source taking into account the limited dynamic of large converters. The robustness of the solution is discussed for different configuration of the grid topology. A current limiting strategy is presented to solve the current sensitivity issue of grid-forming converters, subject to different stressing events of the transmission grid. The ideas developed on a single converter are then applied on small grids with a limited number of converters to allow a physical interpretation on the simulation results.

L'évolution de l'électronique de puissance depuis ces dernières années est le résultat des enjeux énergétiques actuels qui exigent, entre autres, des architectures de conversion d'énergie capables de traiter des puissances de plus en plus importantes. Parmi les éléments les plus caractéristiques de cette évolution, l'avancement technologique des composants semi-conducteurs (nouveaux composants SiC ou GaN) ainsi que la conception de nouvelles architectures de convertisseurs statiques jouent un rôle important. Parmi ces architectures, différentes associations basées sur la connexion en série et en parallèle de cellules de commutation classiques ont été proposées. Ces associations permettent d'augmenter la puissance traitée par les convertisseurs sans accroitre les contraintes au niveau des interrupteurs. Elles permettent également l'obtention de signaux de sortie d'une meilleure qualité avec des fréquences apparentes de découpage plus importantes. Ces architectures utilisent des éléments de stockage d'énergie qui diminuent les contraintes au niveau des interrupteurs mais qui exigent, en revanche, une régulation précise des grandeurs de tension ou de courant propres à ces éléments. Pour l'association en série, les tensions des condensateurs doivent rester autour d'une fraction de la tension du bus d'entrée. Pour l'association en parallèle, le courant de sortie doit être réparti équitablement entre les différents bras afin d'éviter les phénomènes non linéaires propres aux éléments magnétiques utilisés dans les inductances (séparées ou magnétiquement couplées). Dans la première partie de cette thèse, nous présentons les généralités de l'association en série et parallèle des cellules de commutation. La modélisation des éléments magnétiques utilisés pour la mise en parallèle est également détaillée dans le but d'identifier de possibles sources de déséquilibre sur la répartition du courant de sortie. Une modélisation matricielle est appliquée pour simplifier la relation entre les variables propres à chaque association et les ordres de commande de toutes les cellules. Cette modélisation matricielle sera la base des stratégies de commande que nous avons développées dans la suite de nos travaux. Dans la deuxième partie de cette thèse, nous présentons les différentes stratégies de commande pouvant être appliquées sur ces convertisseurs. Les premières stratégies sont basées sur une approche classique utilisant un modulateur, un générateur d'ordres de commande et des régulateurs de type linéaire pour la régulation des variables internes et externes de chaque association. En termes de modulateurs, nous présentons principalement un modulateur de type PS (Phase Shifted), tandis que quelques applications et résultats sont présentés pour un modulateur de type PD (Phase Disposition). D'autres stratégies basées sur la commande prédictive sont également présentées. La première est la stratégie MPC qui utilise une fonction de coût pour choisir l'état optimal du convertisseur pour chaque période d'échantillonnage. Cette stratégie a été introduite récemment dans le domaine des convertisseurs statiques et présente des avantages liées à la facilité de sa mise en place ainsi qu'aux réponses du système lors des régimes transitoires. La deuxième stratégie, basée sur la commande prédictive, utilise des instants de commutation variables, une fonction de coût simplifiée et une machine d'état. Cette dernière permet de gérer les ordres de commande de toutes les cellules de commutation en fonction des variables à réguler. En plus des avantages liés à la stratégie MPC, sa mise en place est bien plus simple car elle fonctionne à une fréquence de découpage fixe et s'adapte facilement à différents points de fonctionnement. Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons l'implantation expérimentale de ces stratégies afin de valider leur performance sur les convertisseurs multicellulaires. / In the last years, the development in the power electronics field is the result of the current energy challenges. These challenges require power converters able to work with increasingly important powers. Among the most characteristic elements of this development, we can find the technological advancements of the semiconductor devices (based principally in SiC and GaN) and the conception of new power converters topologies. These new power converter topologies are principally based on the serial and parallel association of classical commutation cells. With these associations, the energy treated by the converter can be increased using the current semiconductor technology. The quality of the output signals can also be improved with higher apparent switching frequencies. These associations use elements for storing energy, such as inductors or capacitors. They equally allow the reduction of the constraints on the switches given the higher voltages and currents. However, the use of these elements requires a good control of the capacitors' voltage for the serial connection and a good distribution of the output current among the different phases for the parallel connection. In the parallel connection, when we use Inter Cells Transformers (ICT) instead of classical inductors, all the phase currents reduce their ripples while their frequency is reduced. Nevertheless, some differences between all the phases' currents can entail non-linear phenomena, producing perturbations and instabilities in the system. In the serial connection, the capacitor voltages must stay around a fraction of the input voltage in order to get an optimal multilevel output voltage. In the first part of this thesis, we present the generalities of the serial and parallel association of classical commutation cells. Different models of magnetic elements are used for getting a better representation of an ICT; these models are used for finding possible sources of currents imbalances. A matrix model is used to simplify the relationship between the control variables with the control of each commutation cell. In the second part of this thesis, some control strategies that can be applied with these converters are presented. The first strategy is based on a conventional approach that uses a modulator, a state machine for generating the commands of each cell and linear regulators for controlling the internal and external variables (output voltage and currents, capacitors in the serial association and the distribution of the current for the parallel connection). In terms of modulators, we present primarily a PS (Phase Shifted) modulator while some applications and results are presented for a PD (Phase Disposition) modulator. Other strategies based on predictive control are also presented. The first of these strategies is the classical MPC (model predictive control) strategy that uses a cost function to select the optimal state of the converter for each sampling period. This strategy has recently been introduced in the field of static converters and it has several advantages related to the facility of its implementation and the optimal transient responses. The second strategy uses variable switching instants, a simplified cost function and a state machine. The state machine is used to manage the capacitors' voltages and the differential currents (differences between the phase currents) while the cost function is used for controlling the output voltage and current. This strategy is simpler to be implemented, presents fast transient responses and works with a fixed switching frequency in different operating points. In the last part of this thesis, we present the experimental implementation of these strategies in order to validate their performance in the power converters based in the serial and parallel association of classical commutation cells.

Ce mémoire de thèse présente deux nouvelles approches pour l’analyse et la commande des systèmes non-linéaires complexes, comme les systèmes dynamiques à commutation de la classe des convertisseurs d’énergie électrique. Ces systèmes ont plusieurs modes de fonctionnement et ont un point de fonctionnement désiré qui, en général, n’est le point d’équilibre d’aucun des modes. Dans cette classe de systèmes, la commutation d’un mode de fonctionnement à un autre est commandée selon une loi qui doit être synthétisée. Par conséquent, la synthèse de commande implique l’étude des conditions qui permettent à un cycle limite stable de s’établir au voisinage du point de fonctionnement désiré, puis de la trajectoire de commande qui permet de l’atteindre en respectant les contraintes physiques de comportement (courant maximum supporté par les composants,. . .) ou les contraintes de temps (durée minimum entre deux commutations,. . .). Le cycle limite sera qualifié d’hybride car il est composé de plusieurs dynamiques(deux dans ces travaux).La première méthode développée s’appuie sur les propriétés géométriques des champs de vecteurs et est une extension d’une partie des travaux de thèse de Manon au LAGEP. Une condition nécessaire et suffisante d’existence et de stabilité d’un cycle limite hybride composé d’une séquence de deux modes de fonctionnement dans IR2 est présentée. Ce cycle définit la région finale à atteindre par le système depuis son état initial, par une trajectoire déterminée de manière optimale selon un critère donné (durée totale, énergie dépensée, . . .). La méthode proposée est appliquée aux convertisseurs d’énergie Buck et Buck-Boost alimentant une charge résistive. Une extension à IRn a été proposée et démontrée. Elle est illustrée sur un système non-linéaire dans IR3.La deuxième méthode est développée dans IR2 et basée sur la théorie de Lyapunov, bien connue en automatique pour étudier la stabilité des systèmes non-linéaires et concevoir des commandes stabilisantes.Il s’agit de déterminer par une approche géométrique, une fonction de Lyapunov quadratique commune aux deux modes de fonctionnement du système, qui permette d’obtenir un cycle limite hybride stable le plus proche possible du point de fonctionnement désiré et une commande stabilisante directe des interrupteurs / This PhD-thesis presents two new approaches for the analysis and control of complex nonlinearsystems, such as switching dynamic systems of the class of power converters. These systems have severalmodes of operation and a desired operating point, which, in general, is not the equilibrium point of anymode. In this class of systems, switching from one mode to another is controlled by a switching law tobe designed. Therefore, the synthesis of a control law involves the study of the conditions that allow astable limit cycle to settle near the desired operating point, and of the control trajectory to reach thislimit cycle and stabilize on it, meeting the constraints dues to the physical behavior (maximum currentsupported by the components, . . .) or time constraints (minimum duration between two switchings, . . .).The limit cycle is called hybrid because it is composed of several dynamics (two in this work).The first method is based on the geometric properties of vector fields and is an extension of part ofthe PhD-thesis of Manon at LAGEP. A necessary and sufficient condition of existence and stability of ahybrid limit cycle consisting of a sequence of two operating modes, is presented in IR2. This limit cycledefines the final region to be reached by the system from its initial state, along a trajectory determinedoptimally according to a given criterion (total duration, energy expended, . . .). This method is applied tothe Buck and Buck-Boost power converters with a resistive load. An extension to IRn has been proposedand demonstrated. It is illustrated on a nonlinear system in IR3.The second method is developed in IR2, based on the Lyapunov theory, well known in automatic controlfor studying the stability of nonlinear systems and designing stabilizing control methods. The objective isto design, with a geometric approach, a quadratic Lyapunov function common to both modes of operation,which defines a stable hybrid limit cycle closest to the desired operating point and a direct stabilizingcontrol of the switches.

The need for efficiency, reliability and continuous operation has lead over the years to the development of fault-tolerant electrical drives for various industrial purposes and for transport applications. Permanent-magnet synchronous machines have also been gaining interest due to their high torque-to-mass ratio and high efficiency, which make them a very good candidate to reduce the weight and volume of the equipment.<p><p>In this work, a multidisciplinary approach for the design of fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine drives is presented. <p><p>The drive components are described, including the electrical machine, the IGBT-based two-level inverter, the capacitors, the sensors, the controller, the electrical source and interfaces. A literature review of the failure mechanisms and of the reliability model of most of these components is performed. This allows understanding how to take benefit of the redundancy generally introduced in fault-tolerant systems.<p><p>A necessary step towards fault tolerance is the modelling of the electrical drive, both in healthy and faulty operations. A general model of multi-phase machines (with a number of phases equal to or larger than three) and associated converters is proposed. Next, control algorithms for multi-phase machines are derived. The impact of a closed-loop controller upon the occurrence of faults is also examined through simulation analysis and verified by experimental results.<p><p>Condition monitoring of electrical machines has expanded these last decades. New techniques relying on various measurements have emerged, which allow a better planning of maintenance operations and an optimization of the uptime of electrical machines. Regarding drives, a number of sensors are inherently present for control and basic protection functions. The utilization of these sensors for advanced condition monitoring is thus particularly interesting since they are available at no cost. <p><p>A novel fault detection and isolation scheme based on the available measurements (phase currents, DC-link voltage and mechanical position) is developed and validated experimentally. Change-detection algorithms are used for this purpose. Special attention is paid to sensor faults as well, what avoids diagnosis errors.<p><p>Fault-tolerant control can be implemented with passive and active approaches. The former consists in deriving a control scheme that gives acceptable performance for all operating conditions, including faulty conditions. The latter consists in applying dedicated solutions upon the occurrence of faults, i.e. by reconfiguring the control. Both approaches are investigated and implemented. <p><p>Finally, design considerations are discussed throughout the thesis. The advantages and drawbacks of various topologies are analyzed, which eventually leads to the design of a five-phase fault-tolerant permanent-magnet synchronous machine. / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished

Ce mémoire de thèse s'inscrit dans le cadre du programme « avion plus électrique », il comprend deux parties.La première est consacrée à la présentation détaillée du contexte, c'est-à-dire du processus qui conduit à électrifier la plupart des systèmes présents dans l'avion, un exemple d'actionneur électromécanique spécifique, conçu dans ce cadre sera aussi détaillé notamment pour ce qui concerne son mode d'alimentation. La seconde partie, plus longue, est consacrée à différents processus de fiabilisation de structures d'électroniques de puissance. Du fait de l'électrification croissante de l'avion, ces structures vont se multiplier à bord, mais la fiabilité connue de ces dispositifs n'est pas apte à satisfaire aux exigences de l'aéronautique. Les processus de fiabilisation, dans leur majorité, sont orientés, en cas de panne, vers un isolement de la source du défaut, pour permettre un fonctionnement en mode dégradé, supporté par le système. Par ailleurs, un dispositif de sécurisation de bras d'onduleur est décrit : un sectionneur commandé à thyristors et fusible (SCTF2). Ce système permet d'isoler électriquement le bras d'onduleur victime d'un défaut au sein d'un onduleur triphasé. L'emplacement de prédilection du SCTF2 est la connexion bras d'onduleur et bus continu d'alimentation. Les simulations de ce système de fiabilisation sont menées sur PSIM. Ce mémoire propose des modélisations approchées, pour l'outil de CAO adopté, des composants IGBT et fusibles, lorsque ces derniers sont soumis à un régime de courant extrême (court-circuit). / This manuscript of thesis was written in two parts for the "More Electric Aircraft" program. The first part presents in great detail the context of the thesis that is (i.e) the processes which allow electrifying the most of classic aircraft-systems. In this part, an example of special electromechanical actuator build in the More Electric aircraft program will be presented with meticulous care, in particular its command and supply systems. The second part, more extensive, is devoted to various solutions which improve the reliability of the power-electric systems. With the growth of the electrification of the aircrafts, several solutions of this kind will be multiplicated on board, but today most of these solutions haven't the reliability intended to the aeronautical applications. For the most part, the reliability processes consist in isolating the origins of a breakdown, in order that the system can continue to work in a debased mode. In addition, a system which protects inverter's legs is described; it's a controlled circuit breaker which uses thyristors and fuses (SCTF2). This system of reliability allows electrical isolating of faulty inverter's leg in a three phase inverter. The preferential position of a SCTF2 is the connexion between inverter's leg and the DC bus. Simulations of the SCTF2 are done on PSIM software. For PSIM, this manuscript poposes some approximative modelisations of the components like IGBT and fuse when they are subjected to a dangerous high-current (short-circuit).

Le régulateur PID (Proportionnel-Intégral-Dérivée) est la commande par retour d'état la plus connue. Elle permet d'aborder un bon nombre de problèmes de commande, particulièrement pour des systèmes faiblement non linéaire et dont la performance requise est relativement modeste. En plus, en raison de sa simplicité, la commande PID est largement utilisée en l'industrie. Étant donnés que les méthodes de réglage de la commande PID sont basées sur la linéarisation, la synthèse d'un contrôleur autour d'un point d'équilibre est relativement simple, néanmoins, la performance sera faible dans des modes de fonctionnement loin du point d'équilibre. Pour surmonter ce désavantage, une pratique courante consiste en adapter les gains du PID, procédure connue sous le nom de séquencement de gain (ou gain-scheduling en anglais). Il y a plusieurs désavantages à cette procédure, comme la commutation des gains de la commande et la définition -non triviale- des régions de l'espace d'état dans lesquelles cette commutation aura lieu. Ces deux problèmes se compliquent quand la dynamique est fortement non linéaire. Dans d'autres méthodes, la synthèse de la commande utilise des schémas empiriques, ce qui ne permet pas l'analyse de la stabilité globale du processus. Dans ce contexte, ce travail de thèse a pour objectif de synthétiser des contrôleurs PI, basés sur la passivité, de telle sorte que la stabilité globale du système en boucle fermé soit garantie. L'un des avantages à utiliser la passivité est son attrait intuitif, qui exploite les propriétés physique des systèmes. L'idée centrale dans un système passive est que l'écoulement d'énergie entrante au système provenant de l'extérieur n'est pas inférieur à l'incrément de son énergie de stockage. Par conséquence, ces systèmes ne peuvent pas stocker plus d'énergie que celle fournie, dont la différence correspond à l'énergie dissipée. En introduisant le concept d'énergie, cette méthodologie nous permet de formuler le problème de commande en celui de trouver un système dynamique dont la fonction de stockage d'énergie prend la forme désirée. En incorporant le concept d'énergie cette méthode devient accessible à la communauté de praticiens et permets de fournir des interprétations physique de l'action de commande. Dans cette thèse, une méthodologie constructive de commande PI basée sur la passivité est présentée et motivée par des applications à des systèmes physiques. / One of the best known forms of feeding back a system is through a three-term control law called PID (Proportional-Integral-Derivative) controller. PID controllers are sufficient for many control problems, particularly when process dynamics are not highly nonlinear and the performance requirements are modest. Besides, because of its simple structure, the PID controller is the most adopted control scheme by industry and practitioners, beeing the PI the form mostly employed. Since the PI tuning methods are based on the linearization, commissioning a PI to operate around a single operating point is relatively easy, however, the performance will be below par in wide operating regimes. To overcome this drawback the current practice is to re-tune the gains of the PI controllers based on a linear model of the plant evaluated at various operating points, a procedure known as gain-scheduling. There are several disadvantages of gain-scheduling including the need to switch (or interpolate) the controller gains and the non-trivial definition of the regions in the plants state space where the switching takes place - both problems are exacerbated if the dynamics of the plant is highly nonlinear. In other common scenarios, a little information about the process dynamics or only a "good" linear approximation is taken into account when designing the control design. This impedes to analyse the global stability of the system. In this context, the current thesis work is aimed at the designing of PI controllers, based on the passivity theory, such that the stability of the closed-loop system is guarantied. One of the main advantages of passivity concepts is that they offer a physical and intuitive appeal. The primary idea in passive systems is that the power flowing into the system is not less that the increase of storage. Thus, they cannot store more energy than is supplied to it from the outside, with the difference being the dissipated energy. Thus, introducing the concept of energy, this methodology allows to recast the control problem as finding a dynamical system such that system energy function takes the desired form. Also, with this formulation, the communication between practitioners and control theorists is facilitated, incorporating prior knowledge of the system and providing physical interpretations of the control action. In this thesis, a constructive methodology for deriving PI passivity-based controllers is presented and motivated by the application to physical systems.

Les structures de conversion multiniveaux permettent de convertir en moyenne tension et forte puissance. Celles-ci sont construites à partir de cellules de commutations et permettent d’augmenter le courant et la tension en entrée ou en sortie. Ces structures sont appelées multiniveaux car les formes d’ondes des tensions en sortie permettent d’avoir plus de deux niveaux de tension différents. Les différentes structures peuvent être classées dans différentes catégories tel que la mise en série de pont en H, les convertisseurs multicellulaires série ou parallèle ou encore les structures utilisant le fractionnement du bus continu. Toutes ces structures ont des propriétés et applications différentes, même si certaines structures ont des propriétés communes. Il est aussi possible de créer de nouvelles structures en mixant les différentes structures de bases des différentes familles de convertisseurs multiniveaux ou en assemblant les structures de base de la conversion statique. Même si l’utilisation de structure de conversion multiniveaux permet de convertir à forte puissance, celle-ci n’est pas toujours aisée. En effet l’augmentation du nombre de niveaux ou de la tension d’entrée implique également une augmentation du nombre de composants semiconducteurs. Ceci peut être un frein à l’utilisation de convertisseur multiniveaux. Pour cela une nouvelle structure utilisant des composants partagés entre les différentes phases est proposée afin de limiter leur nombre. Un autre problème important lié aux convertisseurs multiniveaux est l’équilibrage des tensions des condensateurs du bus continu si celui-ci est composé de plus de deux condensateurs mis en série. Pour cela plusieurs solutions sont possibles : soit en utilisant une commande spécifique utilisant la modulation vectorielle, soit en utilisant des structures auxiliaires qui ont pour but d’équilibrer les différentes tensions des condensateurs. Dans une dernière partie ont été proposées de nouvelles structures qui permettent à la fois d’augmenter le courant de sortie et la tension en entrée en utilisant les principes des structures de base des convertisseurs multicellulaires série et parallèle. De plus, ces structures ont des propriétés intéressantes sur les formes d’ondes de sortie. De ces structures a été conçu un prototype permettant de valider les résultats de simulation. Une commande numérique implantée sur FPGA a été réalisée et a permis d’avoir des résultats expérimentaux intéressants. / This PhD Thesis deals with the study of new multilevel structures. At the beginning of this work, a new methodology to create new multilevel structures has been conceived. To evaluate the performances of these structures, there are many possibilities: number of output voltage levels, number of components, and the quality of the converters’ output waveforms. The list of criteria is not exhaustive. One technique to obtain an output multilevel waveform is to split the DC link in several capacitors. There is a limitation since putting more than two capacitors in serial connection leads to an unbalancing of these voltage capacitors. Several solutions are possible to balance these voltages. The first one uses the control of the structure in a three phase application, using a space vector modulation and minimizing the energy stored in the DC link. The second solution consists in using auxiliary circuits, which realize an energy transfer between one capacitor to another through an inductor. The drawback of this method is the high number of components. This problem can be reduced sharing some components between the three phases of the converter. The third part of this study is related to multicell converters, structures with very interesting good properties. New converter structures mix serial and parallel multicell converters, to obtain a hybrid converter with similar performances to the two basic converters. An experimental prototype was built to validate the results of the PhD. The digital control of this hybrid structure was made with a FPGA where two DSP processors were implemented.

Ces travaux de recherche portent sur la problématique CEM (Compatibilité Electromagnétique) en électronique de puissance. Cette étude s'intéresse particulièrement à la modélisation HF (haute fréquence) des convertisseurs d'énergie dans le but d'étudier la propagation des perturbations conduites vers le réseau avec ou sans l’utilisation du RSIL (Réseau Stabilisateur d'Impédance de Ligne). Une première partie présente les outils de modélisation des sources de perturbation dans les convertisseurs statiques.La seconde partie est consacrée à la modélisation HF d'un système d'entraînement à vitesse variable. L'onduleur de tension triphasé est représenté par trois générateurs équivalents afin de reconstituer le découpage des tensions de sortie. Un modèle HF du câble blindé de 4 conducteurs tenant compte de la dissymétrie est ensuite proposé. Les résultats de simulation ont été validés par des relevés expérimentaux. La comparaison montre qu'il est possible de modéliser correctement le comportement HF du dispositif jusqu'à 20MHz.Une troisième partie porte sur la propagation des perturbations conduites vers le réseau sans RSIL. Il a fallu pour cela déterminer et modéliser l'impédance du réseau. L'influence du pont redresseur à diodes sur la propagation des perturbations de mode commun a ensuite été étudiée. Les résultats de simulation montrent que l'impact de ces perturbations sur la tension réseau est prépondérant lorsque le pont redresseur est à l'état bloqué. Les résultats expérimentaux ont permis de valider cette étude. Ce travail se termine par une étude préliminaire sur l'association de deux convertisseurs connectés localement à une même source d'énergie / These research works focus on EMC (Electromagnetic Compatibility) in power electronics systems. Specifically, the study focuses on HF (high frequency) modeling of the power converters in order to study the conducted emissions toward the power grids with or without the use of an LISN (Line Impedance Stabilisation Network). The first part presents the modeling tools of the electromagnetic emissions sources in power converters.The second part describes the HF modeling method of an adjustable speed drive (ASD) that will be used to estimate the conducted emissions. In a first part, a behavioural model of PWM inverter is proposed as an EMI noise source. Then, a model of the shielded 4-wire energy cable that taking into account of the dissymmetry structure is proposed and validated in the frequency domain for two different lengths. The comparison of measurement and simulation results of conducted emissions (with LISN) shows the good compromise between the simulation duration and accuracy of the results.A third part is dedicated to the propagation of conducted emissions toward the power grid without using a LISN. The first stage consists in proposing a model impedance of the network impedance. The influence of the bridge rectifier diodes on the propagation paths of common mode disturbances has been studied in the second step. The simulation results show that the impact of these disturbances on the network voltage is more important when the bridge rectifier is normally off-state. The experimental results have validated this study. This work concludes with a preliminary study on the association of two converters connected locally to a single energy source

Cette thèse porte sur la commande de réseaux multi-terminaux à courant continu (MTDC) basés sur des convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs).Tout d’abord, notre attention se focalise sur l'énergie stockée en interne dans le MMC qui constitue un degré de liberté additionnel apporté par sa topologie complexe. Afin d’en tirer le meilleur parti, les limites de l’énergie interne sont formulées mathématiquement.Afin de maîtriser la dynamique de la tension DC, l’utilisation de ce nouveau degré de liberté s’avère d’une grande importance. Par conséquent, une nouvelle de stratégie de commande, nommée «Virtual Capacitor Control», est proposée. Cette nouvelle méthode de contrôle permet au MMC de se comporter comme s’il possédait un condensateur de taille réglable aux bornes, contribuant ainsi à l’atténuation des fluctuations de la tension DC.Enfin, la portée de l’étude est étendue au réseau MTDC. L'un des défis majeurs pour un tel système est de faire face à une perte soudaine d'une station de convertisseur qui peut entraîner une grande variation de la tension du système. A cet effet, la méthode de statisme de tension est la plus couramment utilisée. Cependant, l'analyse montre que l'action de contrôle souhaitée risque de ne pas être réalisée lorsque la marge disponible de réserve de puissance du convertisseur est insuffisante. Nous proposons donc une nouvelle structure de contrôle de la tension qui permet de fournir différentes actions en fonction du signe de l'écart de la tension suite à une perturbation, associée à un algorithme qui détermine les paramètres de statisme en tenant compte du point de fonctionnement et de la réserve disponible à chaque station. / The scope of this thesis includes control and management of the Modular Multilevel Converter (MMC)-based Multi-Terminal Direct Current (MTDC).At first, our focus is paid on the internally stored energy, which is the important additional degree of freedom brought by the complex topology of MMC. In order to draw out the utmost of this additional degree of freedom, an in-depth analysis of the limits of this internally stored energy is carried out, and they are mathematically formulated.Then, this degree of freedom of the MMC is used to provide a completely new solution to improve the DC voltage dynamics. A novel control strategy, named Virtual Capacitor Control, is proposed. Under this control, the MMC behaves as if there were a physical capacitor whose size is adjustable. Thus, it is possible to virtually increase the equivalent capacitance of the DC grid to mitigate the DC voltage fluctuations in MTDC systems.Finally, the scope is extended to MMC-based MTDC grid. One of the crucial challenges for such system is to cope with a sudden loss of a converter station which may lead to a great variation of the system voltage. The voltage droop method is commonly used for this purpose. The analysis shows that the desired control action may not be exerted when the available headroom of the converter stations are insufficient. We thus propose a novel voltage droop control structure which permits to provide different actions depending on the sign of DC voltage deviation caused by the disturbance of system voltage as well as an algorithm that determines the droop parameters taking into account the operating point and the available headroom of each station.