La thèse a trait aux systèmes de l'électronique de puissance dédiés aux applications distribution électrique. Une attention particulière a été portée sur l'amélioration de la qualité de l'énergie. A cet effet, les aspects théoriques et les techniques d'amélioration sont décrits et discutés. Les convertisseurs de l'électronique de puissance à même de répondre à la problématique qualité sont ensuite introduits, modélisés et commandés. Des techniques originales d'identification de perturbations, de gestion des puissances actives et réactives ainsi que des commandes éloignées sont conçues, testées en simulation et analysées. Les applications retenues sont le compensateur série à base d'onduleur de tension et le filtrage actif shunt. Ces résultats sont ensuite confrontés à l'expérimental sur un banc conçu et réalisé à cet effet. L'expérience, si elle a conforté la théorie, a permis également de mettre en exergue les problèmes souvent occultés par la théorie. La conclusion reprend ces constatations et trace les objectifs à court et moyen terme.

Dans la plupart des régions isolées, le générateur diesel est la source principale d'énergie électrique. Pour ces régions, le prix d'extension du réseau électrique s'avère prohibitif et le surcoût de l'approvisionnement en combustible augmente radicalement avec l'isolement. Dans ce contexte, l'interconnexion de plusieurs sources d'énergie renouvelable (des éoliennes, des panneaux photovoltaïques, des petites centrales hydroélectriques, etc.) dans un Système d'Energie Hybride (SEH) peut avoir une incidence profitable sur la production d'énergie électrique, en termes de coût et de disponibilité.<br />Cependant, des améliorations dans la conception et le fonctionnement des SEH sont toujours nécessaires pour rendre cette technologie plus compétitive dans les régions isolées. Ainsi, le travail de recherche présenté dans cette thèse est une contribution à l'analyse du comportement et à la maîtrise des performances d'un SEH constitué par deux sources d'énergie renouvelable, un générateur diesel et des batteries de stockage. Ce type de système est étudié selon trois aspects : dimensionnement, maximisation de l'utilisation des ressources renouvelables et qualité de l'énergie électrique. <br />Pour maximiser l'utilisation des ressources renouvelables, le dimensionnement et le choix du fonctionnement des composants sont réalisés en tenant compte des ressources énergétiques disponibles, ainsi que des contraintes d'utilisation. Ensuite, les modèles de simulation pour les sources du SEH, les éléments d'interconnexion et le système de stockage sont développés et réunis dans une bibliothèque de modèles paramétriques sous l'environnement MATLAB/Simulink. Les modèles de simulation, suffisamment précis, sont utilisés de manière modulaire pour une plus grande flexibilité dans l'étude du comportement dynamique du SEH et pour tester différentes stratégies de commande. Cette démarche permet ainsi de créer des scénarios de conditions de fonctionnement pour le SEH et de faire varier par la simulation, les sources d'énergie et/ou le niveau et le type de charge. Chaque composant du SEH étudié inclut une stratégie de commande, dans le but soit de satisfaire un critère énergétique, soit de permettre de reproduire un comportement dynamique réaliste. <br />En vue de pouvoir analyser et améliorer la qualité de la tension, nous avons développé des modèles capables de rendre compte et de traiter les déséquilibres. Un convertisseur bidirectionnel à quatre bras est proposé comme solution pour équilibrer la tension générée en conditions de charge déséquilibrée. Des commandes spéciales associées à cette structure ont été proposées pour améliorer la qualité de la tension aux bornes de la charge.<br />Les résultats obtenus en simulations montrent qu'avec l'électronique de puissance et des stratégies de commande appropriées, il est possible d'avoir un degré plus élevé d'intégration des sources d'énergie renouvelable et d'améliorer la qualité de l'énergie générée par un SEH.

Cette thèse s'inscrit dans les études menées sur la commande des dispositifs de l'électronique<br />de puissance dédiés à la qualité de l'énergie. Différentes structures de contrôle numériques<br />avancées (les correcteurs à base d'intégrateurs, le correcteur prédictif Dead-Beat et le<br />Contrôle Direct de Puissance avec modulation vectorielle) ont été analysées et comparées, sur<br />les plans tant théoriques que pratiques, et ce sur des applications multi-fréquentielles, plus<br />concrètement sur l'application au filtrage actif parallèle, une des applications les plus<br />exigeantes de l'électronique de puissance.<br />Une première étude a été réalisée en basse tension et ensuite, vu l'évolution de l'électronique<br />de puissance vers des applications plus puissantes, une étude en montant en tension a été<br />menée afin d'identifier les limitations qui apparaissent. Même si les limitations les plus<br />importantes se trouvent dans la partie de puissance des convertisseurs (le courant, la tension et<br />surtout la fréquence de commutation des semiconducteurs), on montre que des commandes<br />plus performantes peuvent repousser les limites naturelles aux convertisseurs.

La qualité de l'énergie électrique concerne tous les acteurs<br />du domaine énergétique, qu'ils soient gestionnaires de<br />réseaux, fournisseurs, producteurs, ou consommateurs d'électricité. <br />Le travail de recherche présenté dans ce <br />mémoire de Doctorat s'inscrit dans le domaine du monitoring de la qualité de l'énergie électrique. <br />Il a pour objectif d'introduire de nouvelles techniques dans <br />l'analyse des problèmes de la qualité de l'énergie électrique. <br />Trois méthodes différentes destinées à l'analyse des perturbations électriques ont été développées et testées.<br />La méthode du vecteur d'espace est dédiée à l'analyse automatique des perturbations électriques. <br />Elle donne detrès bonnes performances dans l'analyse des creux de tension, <br />car elle permet d'isoler, classifier de manière précise et caractériser ce type de perturbations.<br />La méthode des systèmes périodiques permet d'étudier <br />théoriquement la génération et la propagation des perturbations harmoniques au sein d'un réseau électrique.<br />Enfin, la méthode statistique matricielle a pour objectif <br />de représenter statistiquementn des signaux électriques<br />sans perte importante d'information à l'aide de matrices statistiques.

Dans le contexte de l’avion plus électrique, les réseaux électriques aéronautiques sont en pleine évolution. Cette évolution est poussée par le besoin d’une intégration à forte densité énergétique ce qui pose des défis aux concepteurs en termes d’architectures, de systèmes et de méthodes de dimensionnement.Un réseau de bord est composé d’un ensemble de systèmes électriques multidisciplinaire qui proviennent de différents fournisseurs dont le design est actuellement effectué en répondant à des standards de qualité spécifiés par l’agrégateur. L’objectif de la thèse est de proposer de nouvelles approches intégrées qui permettent de gérer la complexité des réseaux électriques tout en convergeant vers un résultat optimal, offrant des gains de masses en référence à un design par des « approches mécanistes » reposant sur un agrégat de boucles d’optimisation locales. Une approche multiniveau a été développée en s’inspirant des travaux sur la MDO « Multidisciplinary Design Optimization ». L’élaboration de cette approche a été le résultat d’une expertise accumulée en appliquant différentes méthodes disponibles dans la bibliographie. L’optimisation porte plus spécifiquement sur les filtres d’entrée des charges du réseau ainsi que sur le filtre de sortie du canal de génération du réseau électrique embarqué. L’optimisation multiniveau vise, dans un contexte collaboratif, à itérer entre le niveau agrégateur (niveau réseau) et le niveau équipementier (charges et source du réseau). L’utilisation d’une formulation agrégée au niveau réseau et le respect des causalités au niveau des sous-problèmes sont les principaux atouts de cette approche qui conduit à des solutions proches de l’optimum global de masse de filtres. / Within more electric aircraft context, electric systems and networks have to evolve. High energy density integration pushes designers to reconsider their systems, architectures and tools.An aircraft network contains a large number of multidisciplinary systems which come from different manufacturers. Each manufacturer designs its system separately following quality standards specified by the aggregator. The goal of this thesis is to provide system approaches which could deal with the high-level of complexity of the network while reaching the optimal design of all the system and so reduce the total weight in comparison with mechanistic approaches based on independent optimization loops for the different subsystems.Consulting MDO “Multidisciplinary Design Optimization” researches, we have developed a multilevel approach based on our previous studies and conclusions on classical approaches used in the design of electrical systems. The optimization concerns the input filters of the loads connected to the HVDC bus and the output filter of the generating channel which supply the electric power. The multilevel collaborative optimization allows an automated exchange of data between the aggregator (system level) and manufacturers (sub-system level) and thanks to that, the optimal design of all the system is joined. The strong points of this approach are the aggregated formulation and causality connections between sub-systems.

L'orientation énergétique actuelle vers le développement de systèmes électriques isolés, s'est traduit par l'établissement de nouvelles directives sur les performances et la fiabilité des structures de puissance mises en oeuvre, en particulier ceux à base d'énergies renouvelables. C'est dans ce contexte que s'inscrivent ces travaux de thèse, qui aboutissent à l'élaboration de nouveaux outils destinés à l'amélioration de la qualité d'énergie et de la stabilité d'un micro-réseau autonome. Concernant l'optimisation énergétique des interfaces de conversion pour un réseau autonome, nous avons développé de nouveaux algorithmes de commande basés sur le concept de platitude des systèmes différentiels. L'avantage de cette technique réside dans la possibilité d'implémentation de régulateurs à une boucle. Cela garantit des propriétés dynamiques élevées en asservissement et en régulation. De plus, une prédiction exacte de l'évolution des variables d'états du système est possible. Concernant la stabilité des micro-réseaux autonomes, nous avons proposé des outils pour traiter les phénomènes d'instabilités, causés notamment par la perte d'informations de charges et par le phénomène de résonance des filtres d'interconnexion / The actual electrical energy demand focuses on the development of stand-alone electrical systems which leads to the definition of new directives on performances and reliability of the electrical structures, especially those based on renewable energy. The main objective of this work concerns the development of new tools to improve the power quality and the stability of autonomous micro-grid systems. In this aim, new control algorithms based on the concept of differential flatness have been developed. The main advantage of the proposed technique is the possibility of implementing one loop controllers ensuring high dynamic properties. In the same time, it allows accurate prediction of the evolution of all state variables of the system. Concerning the stability of the autonomous micro-grid systems, we proposed tools to deal with instability phenomena either caused by the loss of load information and the resonance phenomenon of the passive filters

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.