Thèse (M.Sc.)--Université Laval, 2006. / Bibliogr.: f. [106]-111. Publié aussi en version électronique dans la Collection Mémoires et thèses électroniques.

Th. doct.-ing.--Génie électrique--Toulouse--I.N.P., 1983. N°: 229.

Th. doct.-ing.--Électrotech.--Toulouse--I.N.P., 1979. N°: 70.

Titre de l'écran-titre (visionné le 8 mai 2023) / Ce mémoire présente une analyse technico-économique des convertisseurs de puissance associés aux systèmes de stockage d'énergie par batterie. Trois convertisseurs de puissance ont été modélisés en prenant en compte notamment la résistance interne de la batterie et les fluctuations de la tension aux bornes du système de stockage. Il s'agit plus précisément d'un convertisseur DC/DC, d'un convertisseur DC/AC triphasé à deux niveaux, et d'un convertisseur triphasé DC/AC multi niveau de la structure NPC. La sélection de ces trois topologies de convertisseurs d'électronique de puissance n'est pas aléatoire et est soumise à certains critères de sélection. Ce choix est justifié tout au long du manuscrit. Les équations de dimensionnement, de calcul des pertes par conduction et par commutation, du rendement ainsi que du taux de distorsion harmonique de ces convertisseurs sont fournies. Les performances en termes de rendement, de pertes et de taux de distorsion harmonique de ces convertisseurs ont été déterminées en prenant en compte le rapport cyclique, la résistance interne du système de stockage, les fluctuations de la tension aux bornes du système de stockage et le type de charge alimentée par le système de stockage. Les résultats de la simulation de ces convertisseurs sur le logiciel Matlab/Simulink sont présentés pour valider la partie théorique. Au-delà des convertisseurs de puissance, ce travail présente également une approche holistique des systèmes de stockage d'énergie par batterie ainsi que de leurs composants. Par ailleurs, deux modèles d'équilibrage de cellules ont été développés sur la base de modèles disponibles dans la littérature. / This work presents a techno-economic analysis of power converters associated with battery energy storage systems. Three power converters are modeled, taking into account factors such as the internal resistance of the battery and voltage fluctuations at the storage system terminals. Specifically, these converters include a DC-DC converter, a two-level three-phase DC/AC converter, and a three-level three-phase NPC DC/AC converter. The selection of these three power electronic converter topologies for modelization is not random but is subject to certain selection criteria, which are justified throughout the manuscript. Equations for sizing, calculating conduction and switching losses, efficiency, and total harmonic distortion for these converters are provided. The performance of these converters in terms of efficiency, losses, and total harmonic distortion is determined taking into account duty cycle, internal resistance of the storage system, voltage fluctuations at the storage system terminals, and the type of load supplied by the storage system. Simulation results for these converters using Matlab/Simulink software are presented to validate the theoretical part. Beyond power converters, this work also presents a holistic approach to battery energy storage systems and their components. Additionally, two cell balancing models are developed based on models available in the literature.

Ce travail présente une nouvelle méthode de détermination des perturbations conduites générées par les convertisseurs statiques à plusieurs cellules de commutation. Cette méthode permet de faciliter la prise en compte des contraintes de Compatibilité Electromagnétique le plus tôt possible lors de la conception. La méthode proposée consiste en une étude conjointe des perturbations conduites en mode commun et en mode différentiel, en décomposant les circuits en blocs élémentaires, puis en superposant les perturbations dues aux différentes sources de pollution. Les performances CEM des circuits sont alors déterminées directement dans le domaine fréquentiel. Cette méthode vient en complément des méthodes de simulation des perturbations dans le domaine temporel qui sont plus précises, mais plus coûteuses en temps de calcul. Notre démarche a été rendue possible par l'utilisation d'un nouveau type de condensateurs dont les performances en découplage des hautes fréquences ne sont pas limitées par l'inductance série de leurs connexions, ceci grâce à une structure originale de réalisation des connexions en forme de quadripôles. Les cellules de commutation découplées au moyen de ces condensateurs forment des sources de perturbations indépendantes qui permettent l'étude des circuits complexes en effectuant une décomposition en "cellules CEM élémentaires".

Les éléments constituant la chaîne de traction sont le plus souvent dissociés et indépendants entre eux (pack de batteries, convertisseur de traction et moteur). L'utilisation des convertisseurs en cascade en tant que convertisseurs de traction a été le coeur de ces travaux de thèse. Les performances énergétiques des convertisseurs en cascade et de l'onduleur de tension classique ont été comparées sur un cycle de conduite normalisé pour différentes configurations sur les convertisseurs de puissance (niveaux de tension mis en jeu dans la chaîne de traction, variation du nombre d'onduleurs connectés en série pour les convertisseurs en cascade et variation du nombre de semi-conducteurs en parallèle pour réaliser la fonction des interrupteurs de puissance dans les convertisseurs). D'autres convertisseurs d'électronique de puissance sont nécessaires pour le bon fonctionnement d'un véhicule électrique. L'un de ces convertisseurs est le chargeur de batteries qui puise l'énergie du réseau électrique pour venir recharger les batteries du véhicule. Un autre est le système de monitoring des batteries qui permet d'assurer un équilibrage et un état de charge uniforme entre les différentes cellules qui composent le pack de batteries du véhicule. Dans une optique de mutualisation de fonction du convertisseur de puissance, les convertisseurs en cascade ont été étudiés pour assurer les fonctions de charge et d'équilibrage lorsque la traction du véhicule n'est pas utilisée.

La variation de vitesse des machines électriques est une application très porteuse de l’électronique de puissance. La solution de conversion la plus répandue consiste à connecter en cascade deux convertisseurs statiques et d’effectuer une double conversion (AC/DC/AC). Une autre solution, faiblement répandue dans l’industrie, effectue une conversion directe AC/AC. Ce mémoire effectue une synthèse sur les solutions de conversion directe ainsi que sur les stratégies de modulation des convertisseurs matriciels et matriciels « double étage » dans le but de piloter des machines électriques triphasées à partir d’un réseau alternatif triphasé. Cette synthèse a permis de développer une modulation scalaire généralisée, associée à un modulateur par porteuse, équivalente à la modulation vectorielle et applicable aux différents convertisseurs matriciels. Les modulations, à nombre de commutation réduit par période de découpage, ont été approfondies. Cette généralisation a permis de mettre en évidence une solution réduisant les pertes et améliorant le comportement électromagnétique du dispositif comparativement aux modulations traditionnellement utilisées. La présentation des contraintes réelles (commande rapprochée des interrupteurs, Les protections ainsi que le filtrage) est abordée et a été utilisée pour développer une maquette laboratoire. Les stratégies de modulation ont été implantées expérimentalement et valident l’étude théorique. Enfin, un fonctionnement direct à la fréquence réseau, sans modulation donc à faibles pertes, est proposé. Un fonctionnement particulier est introduit, permettant d’effectuer le transitoire du mode modulé classique au fonctionnement direct non modulé / In the power electronics field, the adjustable speed drives is a growing application for electric motors control. The most common conversion solution is to connect in series two static converters and perform a double conversion (AC/DC/AC). Another solution, hardly proposed by industry, uses a direct AC/AC conversion. This thesis aims to make a direct conversion solutions and matrix converters and ‘‘two stage’’ matrix converters modulation strategies synthesis for the purpose to control three-phase electric motor with a three phase input network. This synthesis has developed a generalized scalar modulation, combined with a carrier wave modulator, equivalent to the space vector modulation and applied to matrix converters and the ‘‘two stage’’ matrix converters. Some attention has been done to reduced the switching number during the modulation period. The generalization allows to propose a modified modulation which reduces the losses and improves the electromagnetic performance compared to the traditional modulations used for these kind of converters. The practical constraint (switches control, protection system and filtering) are discussed and has been used to develop a laboratory prototype. The modulations strategies have been implemented experimentally and validate the theoretical study. Finally, a direct function mode with an equal frequency between the input and output network is proposed, without modulation and therefore low losses. In the last part, a particular operation mode is then introduced, permitting the transient operation between the modulated conventional mode to the direct mode without modulation

Les convertisseurs multicellulaires parallèles permettent de traiter des puissances importantes et de profiter d'une certaine standardisation des équipements. Ces dernières années, ces structures ont connu un regain d'intérêt lié notamment à la possibilité de couplage magnétique des inductances. Ce couplage aboutit à un composant magnétique aux propriétés très différentes appelé Transformateur Inter-Cellules (ICT) ; il ne modifie pas le courant de sortie, par contre il réduit l'ondulation de courant dans les bobines et l'ondulation de flux dans certaines parties du noyau. On peut montrer que ce couplage entraîne une réduction des pertes Joules dans les conducteurs et des pertes magnétiques dans le noyau. La réduction de l'ondulation de courant diminue également le courant efficace dans les semiconducteurs ce qui réduit les pertes par conduction, et la différence entre le courant à l'amorçage et au blocage des interrupteurs, ce qui permet la diminution des pertes dans les semiconducteurs lorsque les pertes au blocage sont supérieures aux pertes à l'amorçage. Le dimensionnement d'un ICT n'est pas fondamentalement différent de celui fait pour d'autres composants magnétiques en ce sens qu'il est basé sur le respect de certaines valeurs limites (induction, température) ce qui suppose une évaluation des différentes pertes et l'élaboration d'un modèle thermique. Par contre, la manière d'évaluer ces différentes grandeurs est tout à fait spécifique et n'a que quelques points communs avec les méthodes de calcul des inductances et des transformateurs Dans ce travail de thèse, on montre comment dimensionner ces ICTs en considérant plusieurs topologies et méthodes différentes, correspondant à différents niveaux de sophistication et de complexité. L'explication de ce dimensionnement est divisée en quatre parties : Pertes Cuivre, Pertes Fer, Densité de Flux de Saturation et Aspects Thermiques. L'évaluation des pertes cuivre liées aux composantes alternatives des ICTs constituent un point particulièrement délicat dans la mesure où elles résultent de la combinaison de deux facteurs eux-mêmes difficiles à évaluer ; l'inductance de fuite qui détermine l'amplitude des courants alternatifs mais dépend des flux principalement non canalisés et circulant dans l'air (volume d'étude important, effets 3D...), et la résistance équivalente des bobinages qui en haute fréquence est sujette à des phénomènes complexes comme les effets de peau et de proximité. En se basant sur l'utilisation d'un logiciel simple mais néanmoins robuste et fiable pour calculer précisément les résistances en haute fréquence et les inductances de fuite des ICTs, plusieurs astuces permettant de réduire les pertes cuivre non seulement des ICTs mais aussi des transformateurs et des inductances sont suggérées. Des tableaux simples sont développés pour aider le concepteur de transformateurs à identifier la meilleur configuration de conducteurs dans une fenêtre de bobinage en prenant en compte la forme d'onde du courant, le nombre de tours des enroulements, la fréquence des courants et les paramètres géométriques. Des formules analytiques et des outils de calcul adéquats ont ensuite été utilisés pour développer des routines d'optimisation ayant pour but la réduction de la masse, du volume, des pertes ou du coût des ICTs. Des interpolations multidimensionnelles des valeurs présimulées des résistances et inductances de fuite en haute fréquence sont utilisées afin de réduire le temps d'exécution de la routine d'optimisation. Plusieurs dimensionnements des ICTs ont été comparées vis-à-vis des matériaux du noyau et des conducteurs, du nombre de cellules de commutation et de la fréquence de découpage. Des comparaisons avec des selfs ont également été faites afin de montrer les avantages de ces ICTs. Des aspects de la commande des convertisseurs multi-niveaux triphasés ont également été étudiés vis-à- vis du flux circulant dans les ICTs. Des homopolaires, spécifiques pour chaque stratégie MLI et chaque topologie convertisseur/charge, sont créées afin de minimiser le flux dans les ICTs et par conséquent de réduire davantage la masse et la taille de ces composants. Des comparaisons entre différentes méthodes de MLI sont effectuées et vérifiées expérimentalement.

Les systèmes électroniques commutés sont de plus en plus utilisés dans plusieurs domaines domestiques ou industriels: les écrans à cristaux liquides, les appareils électroménagers, l'éclairage, les ordinateurs personnels, les centrales électriques, les véhicules de transport et ainsi de suite. L'efficacité des opérations de toutes les applications dépend du travail essentiel réalisé par des systèmes électroniques à commutation, dont le comportement est déterminé par une interconnexion et un contrôle appropriés des dispositifs analogiques et numériques. Comme motivation de ce travail, nous considérons les convertisseurs DC-DC de puissance. Cette thèse contribue à fournir des solutions aux problèmes de contrôle hybrides et non linéaires des plusieurs types de convertisseurs de puissance. Dans la première partie nous intéressons au problème de la régulation de la tension des convertisseurs de puissance fonctionnant dans le mode de conduction discontinue. Deux convertisseurs de puissance sont considérés: le convertisseur boost et le convertisseur buck-boost. L'objectif de commande est la génération d'une orbite périodique. Notre principale contribution est un algorithme simple et robuste qui donne des formules explicites pour les temps de commutation sans approximations. Les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. Dans la deuxième partie une classe de convertisseurs de puissance qui peut être globalement stabilisé avec un contrôleur PI a été identifiée. Par ailleurs, nous allons prouver que l'observateur I&I peut être combiné avec le contrôleur PI tout en préservant les propriétés de stabilité asymptotique globale de la boucle fermé. La classe se caractérise par une inégalité matricielle linéaire simple. Le nouveau contrôleur est illustré avec le convertisseur très - populaire, et difficile à contrôler, le SEPIC, pour lequel les résultats de simulation et expérimentaux sont présentés. / Switched electronic systems are used in a huge number of everyday domestic and industrial utilities: liquid crystal displays, home appliances, lighting, personal computers, power plants, transportation vehicles and so on. Efficient operations of all such applications depend on the essential “hidden work" done by switched electronic systems, whose behavior is determined by a suitable interconnection and control of analog and digital devices. As a motivation of this work, we consider the DC-DC power converters. This thesis contributes to provide hybrid and nonlinear control problem solutions to several types of power converters. In the first part we are interested in the problem of voltage regulation of power converters operating in discontinuous conducting mode. Two power converters are considered: the boost converter and the buck-boost converter. The system does not admit a (continuous--time) average model approximation, hence is a hybrid system where the control objective is the generation of a periodic orbit and the actuator commands are switching times. Our main contribution is a simple robust algorithm that gives explicit formulas for the switching times without approximations. Simulation and experimental results that illustrate the robustness of the scheme to parameter uncertainty, as well as performance comparisons with current practice, are presented. In the second part a class of power converters that can be globally stabilized with an output-feedback PI controller has been identified. Moreover, we will prove that the I&I observer can be combined with the PI controller preserving the GAS properties of the closed-loop. The class is characterized by a simple linear matrix inequality. The new controller is illustrated with the widely-popular, and difficult to control, single-ended primary inductor converter, for which simulation and experimental results are presented.

Cette thèse est dédiée aux convertisseurs multiniveaux et aborde les problématiques liées à la compensation des perturbations générées sur un réseau électrique, telles que celles produites par les fours à arc. Elle est composée de quatre chapitres couvrant les thématiques de la modélisation des réseaux électriques, des convertisseurs de tension, du contrôle commande et des stratégies de compensation, accompagnés de simulations et de résultats expérimentaux obtenus sur des équipements industriels de forte puissance. Les applications réseaux étant diverses et variées, les convertisseurs multiniveaux sont ici étudiés dans le but d’être raccordés directement sur des réseaux de distribution. Pour cela, un état de l’art des différentes topologies de convertisseurs de tension (classiques et multiniveaux) est présenté et les topologies dites modulaires, sont retenues pour une étude plus poussée. Ces convertisseurs utilisent des modules de puissance à base de ponts en H, de ½ ponts en H ou de ponts en H 3-niveaux connectés en cascade. Ils permettent ainsi de créer différents types de configurations ou couplages appelés dans ce mémoire : étoile, triangle et étoiles symétriques. Les différents modules et les stratégies pour les commander sont étudiés autour d’un composant de puissance (de type IGBT 2.5kV/1.5kA). A travers les domaines électrique et thermique, une méthode est proposée afin d’estimer les pertes, les températures de jonction et déterminer ainsi les limites d’utilisation d’un tel composant de puissance. Le dimensionnement et la fiabilité de ces convertisseurs est également abordé pour chacune des configurations envisagées, afin de dégager les avantages et inconvénients pour une application réseau. D’une façon générale, la stratégie de contrôle des convertisseurs multiniveaux est ardue, principalement lié au fait que de multiples sources de tensions continues doivent être contrôlées. Dans cette optique, des stratégies de contrôle sont proposées et validées en simulation selon les types de modules et de configurations utilisés pour la compensation des perturbations d’un four à arc. Enfin, la dernière partie de ces travaux est consacrée aux résultats expérimentaux sur la base d’un compensateur industriel dénommé DSVC (Dynamic Static Var Compensator), pour la compensation des fours à arc. Les différents résultats obtenus sur plusieurs sites industriels ont ainsi permis la validation des travaux exposés dans ce mémoire / This thesis is dedicated to the multilevel converters and addresses issues related to compensation for disturbance generated on an electrical network such as those produced by arc furnaces. It is composed of four chapters covering the themes of modeling of electrical networks, voltage converters, control and compensation strategies, with simulations and experimental results obtained on high power industrial equipment. There are many networks applications and multilevel converters are here considered to be directly connected to distribution networks. Therefore, a state of the art of different voltage converters, classics and multilevel topologies, is presented and the topologies called modular are retained for further studies. These converters use modular power cells made of H bridges, ½ bridges or 3-level H bridges connected in cascade. They allow to create different types of configurations or couplings called in this memory: star, delta and double stars. The different modules and the strategies to control them are investigated around the same switching power component (IGBT 2.5kV/1.5kA). Through electrical and thermal fields, a method is proposed to estimate their losses, junction temperatures in order to determine the limits of use of such a component of power. Sizing and reliability of these converters is also discussed for each considerer configurations in order to identify the advantages and disadvantages for a network application. Generally, the multilevel converters control strategy is difficult because of the multiple sources of DC voltages to control. In this context, control strategies are proposed and validated in simulation according to the types of modules and configuration used to compensation for disturbance of an arc furnace. Finally, the last part of this thesis is devoted to the experimental results based on an industrial compensator DSVC (Dynamic Static Var Compensator) for arc furnace compensation. The different results obtained at several industrial sites have thus allowed the validation of the various works exposed in this thesis