Modélisation et Commande des Convertisseurs Modulaires Multiniveaux (MMCs) Destinés aux Réseaux HVDC

Modelling and control of modular multilevel converters dedicated to HVDC Grids

• Auteur / Autrice : Ahmed Zama
• Direction : Seddik Bacha, Abdelkrim Benchaib, David Frey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 13/10/2017
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de génie électrique (Grenoble)
• Jury : Président / Présidente : Manuela Sechilariu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kamal al- Haddad, Sébastien Silvant
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mauro Carpita, Maurice Fadel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux électriques (énergie)

Commande en temps réel

Estimation de paramètres

Haute tension

Convertisseurs multiniveaux

Mots clés libres

Convertisseur MMC

Modélisation

Control

Simulation temps réel

Hvdc

Réseaux électriques

MMC converter

Modelling

Control

Hardware in the Loop Simulation

Hvdc

Power systems

Résumé

Le consensus scientifique et industriel aujourd'hui est que les défis pour développer le réseau SuperGrid sont énormes et à plusieurs niveaux (p. Ex.: Politiques, sociétaux, économiques, financiers, scientifiques, techniques ...). Il est également admis que le réseau SuperGrid nécessitera de nouvelles technologies (disjoncteurs, câbles, convertisseurs ...) et de nouveaux principes de fonctionnement (p. Ex.: Transition d'un système d'alimentation passif essentiellement à base d’un réseau alternatif (AC) à un système plus actif à base d’un réseau hybride alternatif/continu (AC/DC)). Cette thèse porte sur la modélisation et le contrôle d’un élément clé pour les réseaux SuperGrid , cet élément essentiel est le convertisseur AC / DC.Récemment, et pour beaucoup d’application telles que le transport d’électricité à très haute tension en courant continu (HVDC), le convertisseur modulaire multiniveau (MMC) semble devenir un élément incontournable. Cette topologie, proposée par Lesnicar et Marquardt en 2003, présente de nombreux avantages par rapport aux autres topologies de convertisseur à source de tension (VSC). Comme son nom l'indique, cette topologie, modulaire et facilement évolutive en termes de niveaux de tension a une excellente qualité de tension alternative en sortie et une tension continue qui peut être adaptée facilement via des cellules en série dans chaque bras. De plus, grâce aux cellules redondantes, le MMC peut également gérer ses modes dégradés internes qui peuvent donner lieu à des problèmes (techniques et économiques) importants.Le développement d'une structure complexe telle que le MMC nécessite une analyse détaillée de ses variables d'état et une compréhension approfondie de son comportement avant son intégration. Cela nécessite des développements de modèles précis (détaillés et / ou simplifiés) et des systèmes de contrôle performants. En 2014, lorsque ce travail a débuté, une analyse de l’état de l’art des recherches et études menées par des chercheurs universitaires et industriels impliquant la modélisation et le contrôle-commande des MMC a été réalisée. Dans cette thèse, ces deux aspects principaux ont été revus, analysés et améliorés. D’abord en proposant de nouveaux modèles et méthodes de mise en œuvre, ensuite en développant des algorithmes innovants pour répondre aux demandes industrielles permettant une dynamique rapide pour le MMC. Des simulations en temps réel ainsi que des tests expérimentaux ont été réalisés pour valider ces résultats obtenus.

Common understanding today is that the challenges to develop the SuperGrid are huge at many levels (e.g.: political, societal, economical, financial, scientific, technical…) It is also commonly accepted that the SuperGrid will require novel technologies (breakers, Cables, converters…) and operating principles (e.g.: transition from a more passive essentially AC-based power system to a more active AC/DC-based one). This thesis deals with the development of a key actor for SuperGrid technology, that is, AC/DC converters.Recently, the Modular Multilevel Converter has gained more and more importance for different applications, particularly for High Voltage Direct Current (HVDC). This topology, firstly proposed by Lesnicar and Marquardt in 2003, has many advantages compared to the other Voltage Source Converter (VSC) topologies. As the name suggests, the topology is modular and easily scalable in terms of voltage levels: excellent AC output voltage and DC voltage can be easily increased by adding new cells. Moreover, thanks to the redundant cells, the MMC can also manage its internal degraded modes which are important technical and economic issues.The development of a complex structure such as the MMC, requires a detailed analysis of its state variables and a depth understanding of its behavior when integrated. This necessitates developments of accurate models (detailed and/or simplified) and performant control systems. In 2014, when this work has started, many studies from academia as well as industry involving modeling and control of Modular Multilevel Converter have been carried out. In this thesis, these two aspects have been reviewed, analyzed and improved by proposing new models based on several implementation methods, in addition to develop innovative control algorithms in order to fulfill industrial requests by allowing fast MMC dynamics. Real time simulation as well as experimental tests have been carried out to validate our findings.