Topologies de convertisseurs de puissance multiniveaux

Commandes linéaires

Cette famille de contrôleurs est conçue pour les systèmes linéaires. Pour les systèmes non linéaires comme les convertisseurs, elle peut être utilisée en linéarisant des boucles de commande autour d’un point de fonctionnement. En conséquence de ce mode de commande basé sur une linéarisation autour d’un ou de quelques points de fonctionnement, le contrôle peut être perdu en cas de changement de paramètres de fonctionnement. Pour les systèmes linéaires on utilisera des correcteurs linéaires, pour en citer quelques-uns, le correcteur à avance ou à retard de phase, la commande par retour d’état linéaire, ou encore les contrôleurs à minimum de critère quadratique, sont des régulateurs testés et approuvés dans la commande des convertisseurs de puissance. Néanmoins, le régulateur proportionnel intégral dérivé (PID) reste le contrôleur le plus utilisé de l’industrie.

Le régulateur PID repose sur l’action de trois composantes (proportionnelle, intégrale et dérivée) à travers la fixation de leurs gains ??, ?? et ??. La première de ces actions est l’action proportionnelle dont l’effet est de réduire l’erreur statique, mais plus le gain ?? augmente plus la réponse devient oscillatoire. L’action intégrale annule complètement l’erreur statique, cependant, son augmentation rend le système instable. Enfin, le gain de l’action dérivée, s’il est bien choisi, aura pour effet l’atteinte de la stabilité du système plus rapidement et la diminution du dépassement, sinon il causera l’instabilité totale de la régulation. Ces trois composantes seront combinées afin d’obtenir un compromis entre la précision, la stabilité et la rapidité de la réponse Le régulateur à avance et/ou retard de phase est un régulateur simple conçu pour la correction des systèmes linéaires, mais il a tout de même été utilisé pour le contrôle des structures d’électronique de puissance à plusieurs reprises. Ce compensateur peut avoir soit l’une des deux actions (avance et retard de phase) soit les deux actions en même temps. Il est représenté de la manière suivante :

Techniques de simulation

La simulation est une étape d’importance capitale dans la conception car elle permet d’étudier les systèmes et leurs comportements face à différentes conditions avant de passer à la réalisation pratique. Cependant, le modèle ne reflète pas toujours très précisément la réalité, mais certaines techniques, comme la simulation temps réel, permettent de refléter mieux le comportement d’un système en condition réelle. Il faut noter que la simulation temps réel n’est pas toujours possible et pratique, mais dans plusieurs cas elle peut être plus fidèle et plus précise. Donc, il est souhaitable de la réaliser dans les cas possibles. (Abourida, 2002; Dufour, 2005)[31-32] Lors d’une simulation ordinaire, le temps d’échantillonnage peut être variable pour mieux présenter les phénomènes qui se produisent, mais pour la simulation temps réel le pas d’échantillonnage doit être fixe, et plus ce pas est court plus il représente mieux la réalité. La figure 24 montre l’échantillonnage d’un signal avec un pas variable puis avec un pas fixe. Avec un échantillonnage à un pas variable, la fréquence des impulsions peut devenir plus grande afin de mieux représenter les changements rapides d’un système, alors que cette fréquence peut être réduite dans le cas d’un système variant avec une vitesse plus faible. L’échantillonnage avec un pas de temps fixe ne permet pas cette flexibilité mais c’est une condition pour avoir une simulation temps réel. Une simulation temps-réel doit prendre le même temps que le phénomène réel pour se réaliser, ainsi il devient possible de présenter des modèles de comportements physiques, des modèles de perturbations et des modèles de contrôle à un équipement réel pour étudier son comportement. Cette interaction entre le simulateur et l’équipement réel peut être considéré comme étant une simulation hybride.

La simulation ‘’Hardware in the loop’’ (HIL) ou en français ‘’Matériel en boucle’’, ou encore simulation hybride, est une méthode de simulation qui intègre des composantes physiques du système à simuler qui sont connectées à un simulateur temps réel. Ce mode de simulations présente plusieurs avantages. En effet, elles ajoutent une étape intermédiaire lors de la conception des systèmes ce qui permet de réduire les risques d’erreurs. Elle permet, aussi, de dissocier la partie commande de la partie matérielle. Ainsi il devient possible de tester un modèle du contrôleur avec le système réel ou de faire l’inverse, soit, tester un contrôleur réel avec le modèle du système. Cela permet d’améliorer la flexibilité des simulations, ce qui aura comme conséquences bénéfiques (Grégoire et al 2011)[22]:

Résultats

Avec le circuit de puissance, la régulation et la modulation précédentes, nous n’arrivons pas à obtenir les résultats souhaités. Malgré que la forme du courant est très bonne, et son taux de distorsion harmonique est inférieur à 5% les tensions Van, Vbn et Vcn (phase-neutre) ne sont pas composées de sept niveaux. Les tensions aux bornes des condensateurs sont toujours égales à 140V. Nous remarquons que lors du démarrage le nombre de niveaux de tensions est supérieur par rapport à la phase de stabilité du système. Il faut noter que nous devrions avoir une tension simple composée de 7 niveaux et une tension composée répartie sur 13 niveaux, ce qui n’est pas le cas car nous avons une tension simple de 3 niveaux et une tension composée de 5 niveaux. Cette tension simple de 3 niveaux est compréhensible vu que, pour n’importe quel chemin emprunté par le courant il y aura un condensateur à la tension 140V, le graphe de la figure 59 montre un signal à 3 niveaux de 140V, 0 et -140V. Donc le problème demeure dans la régulation des condensateurs aux valeurs souhaitées (qui doivent être de 70V, 140V et 210V) pour avoir un signal de sept niveaux. La régulation n’a aucun effet sur les tensions aux bornes des condensateurs qui restent toujours d’une valeur égale à 140V. La variation des paramètres des régulateurs PI, que ce soit les gains Kp et Ki ou les limites inférieurs et supérieure, n’a aucune influence sur le comportement du système. Rappelons que les tensions des condensateurs de l’étage supérieur doivent être égales au tiers de la tension d’un condensateur du bus commun, alors que les tensions des condensateurs de l’étage inférieur doivent être égaux aux deux tiers de cette valeur. À titre indicatif, pour ce cas Vc1 doit avoir une valeur de 70V, Vc2 doit avoir une valeur de 140V et Vh doit avoir une valeur de 210V pour un bus commun de 420V (Consigne).

Le changement de la charge montre que le système réagit correctement malgré que les tensions aux bornes des condensateurs sont mal régulées, cependant elles restent stables autour de cette fausse valeur. Nous pouvons constater que les valeurs des tensions aux bornes des bus principal et auxiliaires se superposent et que la tension Vdc est égale au double de leur valeur (280V). Il y a une légère instabilité au moment de la variation de charge. Ce problème des valeurs des tensions aux bornes des condensateurs est probablement dû à la manière de les réguler. Nous remarquons qu’au niveau de la commande, un contrôleur PI est utilisé pour réguler la somme des tensions des 3 condensateurs d’un même étage. Par exemple, pour le premier étage dont les condensateurs doivent être régulé à 70V, la commande consiste à mesurer les valeurs des tensions aux bornes de ces condensateurs, puis à les sommer et de comparer la somme à 210 (70*3) et enfin corriger l’erreur avec un contrôleur PI. Cette manière de régulation est très délicate car le paramétrage des gains et des limites des PI est très difficile. Il est important de noter que la régulation des 8 condensateurs doit être faite par seulement 3 contrôleurs PI, ce qui explique les résultats partiellement réussis de cette simulation. Malgré que les résultats ne concordent pas parfaitement avec les résultats montrés par les concepteurs de la topologie et de sa commande, ils restent tout de même acceptables avec un taux de distorsion harmonique du courant de source très faible, un fonctionnement stable et un facteur de puissance unitaire.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LITTÉRATURE
1.1 Introduction
1.2 Topologies de convertisseurs de puissance multiniveaux
1.2.1 Convertisseurs à point neutre calé par des diodes
1.2.2 Convertisseur à capacités flottantes
1.2.3 Onduleur en pont H en Cascade
1.3 Techniques de filtrages
1.3.1 Filtrage passif
1.3.2 Filtrage actif
1.3.3 Filtrage hybride
1.4 Techniques de commande
1.4.1 Commandes linéaires
1.4.2 Commandes non linéaires
1.5 Techniques de modulation
1.5.1 Modulation de largeur d’impulsion
1.5.2 Modulation vectorielle
1.5.3 Modulation par Hystérésis
1.6 Techniques de simulation
1.7 Conclusion
CHAPITRE 2 CONVERTISSEUR PUC MONOPHASÉ
2.1 Étude théorique
2.2 Fonctionnement en onduleur
2.2.1 Topologie
2.2.2 Commande utilisée
2.2.3 Résultats de la simulation
2.3 Fonctionnement en redresseur
2.3.1 Topologie
2.3.2 Commandes utilisées
2.3.2.1 Commande MLI
2.3.2.2 Commande pas Hystérésis
2.3.3 Résultats
2.3.3.1 Résultats pour la commande MLI
2.3.3.2 Résultats pour la commande par Hystérésis
2.4 Conclusion
CHAPITRE 3 CONVERTISSEUR PUC TRIPHASÉ
3.1 Introduction
3.2 Fonctionnement en mode onduleur
3.2.1 Présentation de la topologie
3.2.2 Commande utilisée
3.2.3 Résultats
3.3 Fonctionnement en mode redresseur
3.3.1 Présentation de la topologie
3.3.2 Commande utilisée
3.3.3 Résultats
3.4 Conclusion
CHAPITRE 4 FILTRE ACTIF UTILISANT LA TOPOLOGIE PUC
4.1 Introduction
4.2 Filtre actif monophasé
4.2.1 Présentation de la topologie
4.2.2 Commande utilisée
4.2.3 Résultats
4.3 Filtre actif triphasé
4.3.1 Présentation de la topologie
4.3.2 Commande utilisée
4.3.3 Résultats
4.4 Conclusion
CHAPITRE 5 OUTILS DE SIMULATION
5.1 Introduction et mise en contexte
5.2 Explication théorique
5.2.1 Types de simulateurs
5.2.2 Différences entre simulation temps réel et simulation ordinaire
5.3 Matériel utilisé : Simulateur OPAL-RT
5.4 Étapes pour adapter les simulations de Matlab à OPAL
5.5 Application et résultats
5.6 Conclusion
CONCLUSION
ANNEXE I Modèles Matlab des différentes simulations réalisées
BIBLIOGRAPHIE

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