Nouvelles architectures de conversion pour des centrales PV de forte puissance

New conversion architectures for high power PV plants

• Auteur / Autrice : Minh Nhut Ngo
• Direction : Philippe Ladoux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Electrique
• Date : Soutenance le 21/04/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Yves Lembeye
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Philippe Ladoux, Yves Lembeye, Sébastien Sanchez, Thai Phuong Do, Jérémy Martin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Costa, Mauro Carpita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Moyenne tension

Effet photovoltaïque

Mots clés libres

Centrales photovoltaïques à moyenne tension

Convertisseur modulaire multiniveaux

Transformateur électronique

Convertisseur « Single Active Bridge »

Modules de puissance SiC

Méthode d’opposition

Medium-voltage photovoltaic power plant

Modular multilevel converter

Solid-state transforme

Single-Active Bridge converter

SiC power modules

Opposition method

Résumé

Les énergies solaire et éolienne contribuent massivement à la transition énergétique. La puissance photovoltaïque (PV) installée au niveau mondial ne cesse de croitre et des centrales PV de plusieurs gigawatts sont déjà mises en services. Même à de tels niveaux de puissance, ces centrales PV fonctionnent en basse tension (BT) ce qui limite la puissance maximale des strings PV, des onduleurs de tension, et nécessite une parallélisation massive de branches élémentaires avec un câblage complexe et couteux. D’autre part, le raccordement au réseau Moyenne Tension (MT) se fait par des transformateurs qui fonctionnent à la fréquence du réseau et sont donc volumineux. Cela conduit à des centrales PV globalement peu optimales en termes de rendement énergétique et de consommation en matières premières. Une innovation permettant de s’affranchir de ces inconvénients consiste à progressivement étendre la technologie PV vers le domaine de la moyenne tension. Dans cette perspective, ce travail de thèse propose une topologie électronique de puissance à isolement galvanique intégré pour réaliser de futures centrales PV. Cela permettra la mise en œuvre de strings PV plus longs (et donc plus puissants) et un raccordement direct au réseau de distribution sans passer par des transformateurs fonctionnant à 50 Hz. Le premier chapitre de cette thèse introduit les architectures et les composants des centrales PV BT actuelles et dresse un état de l’art des architectures MT proposées dans la littérature scientifique. L’analyse des avantages et des inconvénients de ces dernières conduit à proposer une architecture modulaire intégrant un collecteur DC MT. Le deuxième chapitre dresse une étude comparative de topologies multiniveaux afin de sélectionner la structure de conversion DC/AC centralisée. Les résultats, basés sur des calculs et des simulations, montrent que le convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) offre la densité de puissance la plus élevée. Le troisième chapitre est consacré à l’étude d’une topologie DC/DC isolée réalisée avec des interrupteurs 1,7kV et 3,3kV en Carbure de Silicium (SiC). L’étude montre que l’association d’un hacheur 3 niveaux, permettant de suivre le point à puissance maximale (MPPT), et d’un convertisseur à résonance à isolement galvanique intégré constitue la brique de conversion la plus performante du point de vue du rendement. Le quatrième chapitre présente la réalisation et la caractérisation d’un prototype de convertisseur DC/DC isolé, entièrement réalisé en SiC, fonctionnant sous 2 kV avec une puissance nominale de 200 kW. Une conclusion générale et des perspectives terminent cette thèse. Elle met en évidence l’apport de la moyenne tension dans le domaine des centrales photovoltaïques.

Solar and wind energy contribute massively to the energy transition. Photovoltaic (PV) power installed worldwide continues to grow and PV power plants of several gigawatts are already in service. Even at such power levels, these PV plants operate at low voltage (LV) which limits the maximum power of PV strings, voltage source inverters, and requires massive parallelization of elementary branches with complex and expensive wiring. On the other hand, the connection to the Medium Voltage (MV) network is achieved by transformers, which operate at the grid frequency and are therefore bulky. This leads to globally unoptimized PV power plants in terms of energy efficiency and raw material consumption. An innovation to overcome these drawbacks is to gradually extend PV technology to the medium voltage field. In this perspective, this thesis work proposes a power electronics topology with integrated galvanic isolation to achieve future PV power plants. This will allow the implementation of longer (and therefore more powerful) PV strings and direct connection to the distribution network without going through transformers operating at 50 Hz. The first chapter of this thesis introduces the architectures and components of current LV PV power plants and draws up a state of the art of MV architectures proposed in the scientific literature. The analysis of the advantages and drawbacks of the latter leads to proposing a modular architecture integrating an MVDC collection system. The second chapter draws up a comparative study of multilevel topologies in order to select the centralized DC/AC conversion structure. The results, based on calculations and simulations, show that the Modular Multilevel Converter (MMC) offers the highest power density. The third chapter is devoted to the study of an isolated DC/DC topology made with 1.7kV and 3.3kV Silicon Carbide (SiC) devices. The study shows that the combination of a 3-level chopper, making it possible to follow the maximum power point (MPPT), and an insulated resonant converter constitutes the most efficient conversion building block. The fourth chapter presents the realization and the characterization of the insulated DC/DC converter prototype, entirely based on SiC devices, operating under 2 kV with a nominal power of 200 kW. A general conclusion and perspectives end this thesis. It highlights the interest of medium voltage power electronics in the domain of photovoltaic power plants.