Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques.

Les travaux présentés dans ce mémoire ont été réalisés dans le cadre d’une collaboration entre le LAboratoire PLAsma et Conversion d’Énergie (LAPLACE), Université de Toulouse, et la Seconde Université de Naples (SUN). Ce travail a reçu le soutien de la société Rongxin Power Electronics (Chine) et traite de l’utilisation des convertisseurs multi-niveaux pour le transport d’énergie électrique en courant continu Haute Tension (HVDC). Depuis plus d’un siècle, la génération, la transmission, la distribution et l’utilisation de l’énergie électrique sont principalement basées sur des systèmes alternatifs. Les systèmes HVDC ont été envisagés pour des raisons techniques et économiques dès les années 60. Aujourd’hui il est unanimement reconnu que ces systèmes de transport d’électricité sont plus appropriés pour les lignes aériennes au-delà de 800 km de long. Cette distance limite de rentabilité diminue à 50 km pour les liaisons enterrées ou sous-marines. Les liaisons HVDC constituent un élément clé du développement de l’énergie électrique verte pour le XXIème siècle. En raison des limitations en courant des semi-conducteurs et des câbles électriques, les applications à forte puissance nécessitent l’utilisation de convertisseurs haute tension (jusqu’à 500 kV). Grâce au développement de composants semi-conducteurs haute tension et aux architectures multicellulaires, il est désormais possible de réaliser des convertisseurs AC/DC d’une puissance allant jusqu’au GW. Les convertisseurs multi-niveaux permettent de travailler en haute tension tout en délivrant une tension quasi-sinusoïdale. Les topologies multi-niveaux classiques de type NPC ou « Flying Capacitor » ont été introduites dans les années 1990 et sont aujourd’hui couramment utilisées dans les applications de moyenne puissance comme les systèmes de traction. Dans le domaine des convertisseurs AC/DC haute tension, la topologie MMC (Modular Multilevel Converter), proposée par le professeur R. Marquardt (Université de Munich, Allemagne) il y a dix ans, semble particulièrement intéressante pour les liaisons HVDC. Sur le principe d’une architecture de type MMC, le travail de cette thèse propose différentes topologies de blocs élémentaires permettant de rendre le convertisseur AC/DC haute tension plus flexible du point de vue des réversibilités en courant et en tension. Ce document est organisé de la manière suivante. Les systèmes HVDC actuellement utilisés sont tout d’abord présentés. Les configurations conventionnelles des convertisseurs de type onduleur de tension (VSCs) ou de type onduleur de courant (CSCs) sont introduites et les topologies pour les systèmes VSC sont ensuite plus particulièrement analysées. Le principe de fonctionnement de la topologie MMC est ensuite présenté et le dimensionnement des éléments réactifs est développé en considérant une commande en boucle ouverte puis une commande en boucle fermée. Plusieurs topologies de cellules élémentaires sont proposées afin d’offrir différentes possibilités de réversibilité du courant ou de la tension du côté continu. Afin de comparer ces structures, une approche analytique de l’estimation des pertes est développée. [...] / This work was performed in the frame of collaboration between the Laboratory on Plasma and Energy Conversion (LAPLACE), University of Toulouse, and the Second University of Naples (SUN). This work was supported by Rongxin Power Electronic Company (China) and concerns the use of multilevel converters in High Voltage Direct Current (HVDC) transmission. For more than one hundred years, the generation, the transmission, distribution and uses of electrical energy were principally based on AC systems. HVDC systems were considered some 50 years ago for technical and economic reasons. Nowadays, it is well known that HVDC is more convenient than AC for overhead transmission lines from 800 - 1000 km long. This break-even distance decreases up to 50 km for underground or submarine cables. Over the twenty-first century, HVDC transmissions will be a key point in green electric energy development. Due to the limitation in current capability of semiconductors and electrical cables, high power applications require high voltage converters. Thanks to the development of high voltage semiconductor devices, it is now possible to achieve high power converters for AC/DC conversion in the GW power range. For several years, multilevel voltage source converters allow working at high voltage level and draw a quasi-sinusoidal voltage waveform. Classical multilevel topologies such as NPC and Flying Capacitor VSIs were introduced twenty years ago and are nowadays widely used in Medium Power applications such as traction drives. In the scope of High Voltage AC/DC converters, the Modular Multilevel Converter (MMC), proposed ten years ago by Professor R. Marquardt from the University of Munich (Germany), appeared particularly interesting for HVDC transmissions. On the base of the MMC principle, this thesis considers different topologies of elementary cells which make the High Voltage AC/DC converter more flexible and easy suitable respect to different voltage and current levels. The document is organized as follow. Firstly, HVDC power systems are introduced. Conventional configurations of Current Source Converters (CSCs) and Voltage Source Converters (VSCs) are shown. The most attractive topologies for VSC-HVDC systems are analyzed. The operating principle of the MMC is presented and the sizing of reactive devices is developed by considering an open loop and a closed loop control. Different topologies of elementary cells offer various properties in current or voltage reversibility on the DC side. To compare the different topologies, an analytical approach on the power losses evaluation is achieved which made the calculation very fast and direct. A HVDC link to connect an off-shore wind farm platform is considered as a case study. The nominal power level is 100 MW with a DC voltage of 160 kV. The MMC is rated considering press-packed IGBT and IGCT devices. Simulations validate the calculations and also allow analyzing fault conditions. The study is carried out by considering a classical PWM control with an interleaving of the cells. In order to validate calculation and the simulation results, a 10kW three-phase prototype was built. It includes 18 commutation cells and its control system is based on a DSP-FGPA platform.

La démarche générale du mémoire consiste à utiliser des outils mathématiques permettant d'élaborer un formalisme vectoriel applicable aux systèmes électriques au sens large. Ce formalisme bénéficie à la fois des propriétés graphiques et géométriques de la théorie des vecteurs d'espace qu'il généralise et de la puissance du calcul matriciel. Aussi, est-il tout particulièrement adapté à l'étude des systèmes polyphasés.<br />Tout d'abord, on caractérise les modulateurs d'énergie indépendamment de leurs charges. Pour cela des espaces vectoriels leur sont associés ainsi que des familles de vecteurs qui les caractérisent. Il est possible alors de définir quel type de charge le modulateur est capable de contrôler. Les degrés de liberté de la commande trouvent également une formulation mathématique. Les exemples traités sont les onduleurs de tension monophasé et triphasé deux niveaux. L'approche conduit, dans le cas d'une commande aux valeurs moyennes, à un calcul original des durées de conduction des interrupteurs en utilisant la notion de barycentre. Les algorithmes obtenus, généralisables aux onduleurs à n bras, comportent un nombre réduit d'opérations logiques et arithmétiques.<br />Le formalisme est ensuite appliqué à la machine asynchrone triphasée avec q barres au rotor ; ceci nous permet d'expliciter la notion de rotor diphasé équivalent. La machine asynchrone pentaphasée est également modélisée et l'approche développée met en évidence les conditions que doit remplir l'onduleur à 5 bras pour l'alimenter correctement.<br />Dans la dernière partie, un onduleur de courant à Modulation de Largeur d'Impulsions est étudié à l'aide du formalisme. Les non-linéarités de la commande sont prises en compte vectoriellement, notamment, de façon originale, celle concernant la durée minimale de conduction des interrupteurs. On décrit enfin l'implantation matérielle de cette commande sur microcontrôleur 16 bits et présente les résultats expérimentaux dans le cas d'une charge constituée d'une machine asynchrone triphasée en parallèle avec des condensateurs.

L'étude réalisée dans cette thèse s'est portée sur un concept original de microréseau et son<br />utilisation pour faciliter l'intégration des systèmes à base d'énergies renouvelables (EnR)<br />dans le réseau. Ce microréseau est constitué des générateurs à base d'EnR ainsi que de<br />systèmes de soutien qui incorporent des fonctionnalités additionnelles de façon à en améliorer<br />l'intégration. Sur la base de ce concept proposé, deux différentes applications types de<br />microréseaux on été étudiées en détail : un microréseau résidentiel ilôtable et un parc éolien<br />muni de systèmes DFACTS (STATCOM et DVR). Dans les deux applications, des structures<br />de contrôle/commande à différents niveaux et appliquées aux différents composants du<br />microréseau ont été développées, analysées en simulation off line et finalement validées sur<br />un banc expérimental hybride temps réel avec des prototypes à échelle réduite.

Les développements des composants de l'électronique de puissance ont permis l'utilisation des associations onduleur de tension - machine asynchrone pour la traction ferroviaire et de ce fait un gain de performances important. Afin que l'accroissement des performances ne se fasse pas au détriment de la sécurité et de la fiabilité, une étude s'avère indispensable pour maîtriser les conséquences des éventuelles défaillances. L'accent est particulièrement mis sur la machine asynchrone car, assurant la conversion électromécanique, elle répercute le défaut vers la transmission mécanique, élément vital pour la sécurité. Ainsi, une étude par la méthode des éléments finis des courts-circuits triphasés d'un moteur de traction ferroviaire est menée. Elle conduit à des résultats remarquables: sursaturation du parcours des flux de fuite, déplacement de courant dans les barres, contraintes sur les barres de l'ordre de grandeur de la force centrifuge. Cette étude aboutit à la définition d'un schéma équivalent fin du moteur pour l'étude des régimes transitoires de grande amplitude et d'une formulation analytique extrêmement simple du court-:circuit triphasée faciliter l'interprétation physique. Enfin, une étude systématique des défauts de court-circuit des thyristors GTO de l'onduleur de tension est menée sur la base de la modélisation vectorielle de l'association, effectuant le lien entre l'état électromagnétique de la machine et les conditions du défaut. A chaque étape de l'étude, des procédures de validation expérimentale sont proposées. Finalement, de nombreuses avancées vers l'étude quantitative des régimes de défaut des associations onduleur de tension - machine asynchrone sont présentées dans ce mémoire.

Les progrès réalisés ces dernières années dans la commande des onduleurs MLI à deux niveaux de tension pilotant en vitesse variable des machines asynchrones de moyenne et grande puissance ont permis d'améliorer sensiblement les performances. L'utilisation récente des onduleurs MLI à trois niveaux de tension est très prometteuse en raison de la capacité de cette nouvelle structure d'onduleur à améliorer la qualité des courants dans la machine et à étendre sa commande à des domaines de puissance supérieurs à 2 MW. Nous définissons le principe de calcul et les limites de validité des principales techniques de modulation sinusoïdales à trois niveaux. Certaines d'entre elles se révèlent être tout à fait adaptées et performantes pour commander la machine dans les zones de faible vitesse. Nous proposons ensuite une méthode systématique de construction d'une commande optimisée. Les signaux sont calculés pour minimiser les harmoniques de courant et les pulsations de couple. Cette méthode est appliquée à un exemple concret, et la commande est implantée sur le microcontrôleur 80C196KC. La simulation des régimes établis permet d'affiner les études qualitatives des signaux. La bonne concordance entre les résultats expérimentaux et les résultats théoriques permet de confirmer la conservation des caractéristiques des signaux par la méthode de génération en temps réel. L'étude de l'association de la commande optimisée et d'une loi de contrôle vectoriel permet enfin de prouver la faisabilité d'un tel contrôle. Elle permet d'envisager l'amélioration des performances des entraînements de grande puissance en régimes permanent et transitoire simultanément.

Une nouvelle chaîne de traction dédiée à un véhicule hybride électrique de poids lourds a été développée dans ces travaux de recherche. A ce stade, la conception et l'optimisation des composants électriques de la chaîne de traction ont été étudiées, notamment les machines synchrones à aimants permanents et les onduleurs de tension associés, ainsi que le train Ravigneaux. En ce qui concerne la conception, un modèle analytique a été créé et qui permet de répondre au cahier des charges simultanément. Les différentes contraintes multiphysiques ont été prises en compte dans le modèle analytique. Ensuite, un modèle numérique via la méthode élément fini a été mise en œuvre. Le modèle numérique nous a permis de valider les performances de la machine électrique. En ce qui concerne l'optimisation, une stratégie de l'optimisation globale a été étudiée. Un exemple d'optimisation a été basé sur un système composé par deux machines électriques et deux onduleurs associés, ainsi que le train Ravigneaux. La comparaison basée sur cet exemple pour l'optimisation locale et globale nous a permis de valider l'avantage de la stratégie de l'optimisation globale. L'expérimentation a été réalisée sur un banc d'essais qui est constitué par la machine prototype et la machine de charge, les deux machines électriques ont été alimentées et pilotées par deux variateurs de fréquence. Les résultats expérimentaux nous ont permis de valider les modèles théoriques. / A new powertrain for a hybrid electric vehicle of heavy duty was developed in this research work. In this case, the design and the optimization of electrical components of powertrain have been investigated involving the permanent magnet synchronous machines, the associated inverters and the Ravigneaux train. Regarding the design, an analytical model was created and that permits simultaneously answering to specification. The various multiphysic constraints have been taken into account in analytical model. And then the numerical model was carried out via finite element method has been implemented. The numerical model allowed us to valid electrical machine performances. Regarding the optimization, a global optimization strategy was investigated. An optimization example was based on a system which was composed of two electrical machines, two associated inverters and the Ravigneaux train; The comparison based on this example between the local optimization and the global optimization, which allowed us to valid the advantage of global optimization strategy. The experimentation has been performed with a test bench involving the prototype machine and the load machine, the two electrical machines were fed and controlled by two frequency drives. The experimental results permit to valid the theoretical models.

Dans le contexte politique et économique actuel, les dispositifs à base<br />d'électronique de puissance occupent une place grandissante dans les réseaux électriques pour<br />le réglage de tension, la qualité d'énergie et l'interfaçage des producteurs pour ne citer que<br />ces applications. Le système à base d'électronique de puissance vit dans un dispositif plus<br />complexe pouvant être constitué par exemple d'un groupe de production, d'un système de<br />stockage d'énergie, d'une ou plusieurs source primaire énergie et de différents niveaux de<br />contrôle. Tous ces composants interagissent avec le réseau et les perturbations agissent dans<br />les deux sens. Il est donc nécessaire de bien étudier ces systèmes et ce, dans leur<br />environnement réseau. Des simulateurs temps-réel ont été ainsi développés et utilisés pour le<br />prototypage, l'analyse de modes dégradés, la validation d'algorithmes de contrôle...<br />Cependant, si ces simulateurs présentent des avantages indéniables pour le test d'équipements<br />physiques, la simulation en temps-réel des dispositifs à base d'électronique de puissance<br />demeure très problématique. A cet effet, des méthodes novatrices ont été élaborées dans cette<br />thèse et un banc expérimental a été conçu et réalisé pour tester des contrôleurs de systèmes<br />d'électronique de puissance à modulation de largeur d'impulsions. De plus, afin de pouvoir<br />tester des équipements de puissance, des simulations temps-réel hybrides ont été également réalisées.

Le problème de la maîtrise du transport de l'énergie électrique a donné naissance au projet FACTS (Flexible Alternative Current Transmission System ! Pour améliorer la flexibilité des réseaux de transport existants. Le ST A TCOM (ST ATic COMD*~ n s ator) est un dispositif FACTS dédié à la compensation d'énergie réactive transitant sur le réseau . L'évolution des composants d'électronique de puissance a apporté des solutions technologiques pour la réalisation des structures onduleurs du STATCOM. En tenant compte des diverses structures présentées, un modèle dynnamique est construit en utilisant la théorie du modèle moyen généralisé. Il est ensuite validé avec le modèle topologique, lequel décrit le comportement fin de l'onduleur. Afin d' avoir un contrôle robuste du courant réactif du dispositif, une loi de commande non linéaire est élaborée à partir de la théorie de la linéarisation par bouclage. La linéarisation est obtenue au détriment des comportements dynamiques du courant actif et de la tension continue de l' onduleur. Une optimisation de la loi de conunande est proposée afin de maîtriser le comportement dynamique de toutes les variables du dispositif. Cette loi de commal1de est validée sur le modèle topologique après avoir abordé le problème des filtres de mesure. La mise en place de la linéarisation par bouclage nécessite une connaissance des valeurs des composants de la structure. Une estimation ainsi qu'une correction de l'erreur commise sur ces grandeurs sont alors proposées. Le modèle du ST A TCOM avec ses lois de commande est ensuite inséré dans un logiciel destiné à l' étude du comportement dynamique de réseaux (EUROSTAG). A cet effet, le modèle mis au point prend en compte le comportement dynamique de la structure du ST A TCOM, et apporte une richesse supplémentaire pour l 'étude dynamique des réseaux. L'intérêt de la loi de commande optimisée est nus en évidence comparativement aux solutions classiques.

Le volume des convertisseurs électroniques de puissance devient lié, dans une part importante aux composants passifs qui le constituent. En particulier, les condensateurs de découplage constituent une part non négligeable de ce volume. En outre, les évolutions technologiques des composants passifs et particulièrement la densité d'énergie des condensateurs de découplage s'accroit beaucoup moins vite que la densité de puissance des composants actifs auxquels ils sont associés (transistors de puissance). D'autre part, la technologie à film plastique utilisée représente une masse non recyclable qu'il est essentiel de minimiser. Leur rôle est néanmoins fondamental pour le fonctionnement de l'ensemble. Une réduction trop importante de leur valeur conduit à une augmentation de perturbations conduites et rayonnées, voire à une instabilité non contrôlée du bus de tension du véhicule. Cette instabilité, pouvant générer des surtensions importantes, pourrait conduire à une destruction du variateur. Dans certains cas, cette démarche de dimensionnement est compliquée par le fait que d'autres systèmes abonnés au bus source de tension continue participent également aux perturbations conduites, en particulier un deuxième variateur triphasé à découpage. Dans ce cas, un partage du même condensateur de découplage peut-être envisagé. Ceci dit, on est confronté à deux problèmes couplés : - D'une part, le dimensionnement des condensateurs reste lié au courant efficace (du point de vue de l'auto échauffement aussi bien que de l'ondulation de tension qui est également liée à la capacité, autre critère dimensionnant) qu'ils seront amenés à supporter. Il est donc souhaitable de mettre en œuvre des stratégies de réduction de ce courant. - D'autre part, la faible résistance série a tendance à réduire de manière importante le facteur d'amortissement de l'impédance de bus continu vue par l'entrée de l'onduleur. Il convient alors de s'assurer de la maîtrise de la résonance du bus dans une telle situation. Ce travail de recherche explore deux approches complémentaires permettant de minimiser la taille des condensateurs requis et de maîtriser les ondulations de tension à l'entrée du convertisseur : - Développer une stratégie de modulation aussi satisfaisante que possible pour le pilotage d'un onduleur triphasé classique à deux niveaux et trois bras de pont. La contrainte supplémentaire, liée aux risques de résonnance du bus continu, doit être analysée et sera un des objectifs des travaux proposés. - Etudier l’impact que peut avoir une stratégie de modulation sur l’ensemble de la chaine de traction électrique. Des contraintes additionnelles liées à la stratégie de modulation d'un variateur de vitesse automobile sont aussi prises en comptes comme par exemple : - La compensation des effets non-linéaires qui sont dus au comportement de l’onduleur de tension ; - La minimisation du stress exercé sur le condensateur de découplage partagé de manière commune entre deux onduleurs de tension, en termes d’ondulation de tension à ses bornes et de la valeur efficace du courant absorbé. Les résultats théoriques ont été validés expérimentalement sur deux bancs de tests : un premier dédié pour des essais à faible puissance sur une charge passive et un deuxième, monté au site de Lardy de Renault, dédié pour des essais à haute puissance sur une charge réaliste. / The volume of the electronic power converters becomes linked, in a large part, to the passive component which constitute it. In particular, the decoupling capacitors are a significant part of this volume. Moreover, the technological evolutions of the passive components and in particular the energy density of the decoupling capacitors increase much less rapidly than the power density of the active components to which they are associated. On the other hand, the plastic film technology used represents a non-recyclabl mass which it is essential to minimize. The role of the film capacitor is nevertheless fundamental for the functioning of the whole inverter. Too much reduction of their value leads to an increase in conducted and radiated disturbances, or to an uncontrolled instability of the vehicle DC bus voltage. This instability, which can generate significant overvoltages, could lead to a destruction of the switching power devices of the voltage source inverter. In some cases, this design approach could become complicated when other systems could be connected t the same DC voltage source bus, such as a second voltage source inverter. Hence, the same DC link capacitor is shared between the two inverters. Thus, it becomes much solicited and conducted disturbances may be generated. That said, we are confronted with two coupled problems. On the one hand, the design of the capacitors remains linked to the RMS current. It is therefore desirable to implement strategies to reduce this current. On the other hand, the low series resistance tends to reduce significantly the damping factor of the DC bus impedance seen by the input of the inverter. Hence, it is then necessary to ensure control of the resonance of the bus in such a situation. This research explores two complementary approaches to minimize the size of the required capacitors an to control the voltage ripples at the input of the converter: - Develop a P WM strategy that is as satisfactory as possible for controlling a conventional two-level three-phase inverter. The additional constraint, related to the resonance risks of the DC bus, must be analyzed and is one of the objectives of the proposed works. - Study the impact of P WM strategies on the entire electrical traction chain. Additional constraints related to the P WM strategy are also taken into account such as - Compensation for non-linear effects due to the behavior of the voltage inverter; - Minimization of the stress exerted on the decoupling capacitor commonly shared between two voltage source inverters in terms of voltage ripple across its terminals and the rms value of the absorbed current. Theoretical and simulation results have been validated experimentally on two test benches: one dedicated for low power tests on a passive load and the second one, mounted at the Lardy site of Renault, dedicated for hi h ower tests on a dynamic electrical machine.