Contribution à l'étude des convertisseurs multi-niveaux moyenne tension : réduction d'harmoniques BF et linéarisation de leur tension

Contribution to the study of medium voltage converters : Reduction of BF harmonics and linearization of their voltage

• Auteur / Autrice : Hamza El Jihad
• Direction : Farid Meibody-Tabar, Ignace Rasoanarivo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 21/11/2019
• Etablissement(s) : Université de Lorraine
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine (1992-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Corinne Alonso
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Farid Meibody-Tabar, Ignace Rasoanarivo, Betty Lemaire-Semail, Mohamed Fouad Benkhoris, Sami Siala
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Betty Lemaire-Semail, Mohamed Fouad Benkhoris

Mots clés

Mots clés contrôlés

Harmoniques (ondes électriques)

Analyseurs d'amplitude des impulsions

Moyenne tension

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Convertisseur multi-niveaux

Moyenne tension

Commande MLI

Réduction THD

Harmoniques basse fréquence

Linéarisation

Multi-level converter

Medium voltage

PWM

THD reduction

Low frequency harmonics

Linearization

Résumé

Cette thèse traite des convertisseurs de puissance multi-niveaux destinés aux applications d’entraînements électriques, utilisés notamment dans le domaine de l’Oil & Gas et de la propulsion marine, ou bien aux applications réseaux comme la compensation de l’énergie réactive. L’objectif est l’optimisation des commandes de ces convertisseurs de façon à réduire le contenu harmonique de la tension de sortie et donc du courant, paramètre très important pour le dimensionnement à la fois des filtres de sortie et des machines électriques qui y sont connectées. Dans la première partie de ce mémoire, les différentes topologies multi-niveaux sont analysées et trois topologies cinq niveaux retenues sont comparées en termes de nombre de composants semi-conducteurs, des pertes, du contenu harmonique et de l’énergie stockée dans les éléments passifs. Selon le type de l’application, l’une d’entre elles est préférée aux autres. En deuxième partie, nous avons proposé une méthode de réduction d’harmoniques basse fréquence qui consiste à maîtriser la phase des porteuses MLI pour des ratios entiers des fréquences de découpage et du fondamentale de la tension de référence. La minimisation des harmoniques basse fréquence de la tension de sortie du convertisseur par l’optimisation de la phase des porteuses est validée d’abord par des simulations numériques puis implémentée pratiquement et validée à l’aide d’un simulateur temps réel RT-Lab. Pour pallier aux problèmes de non-linéarités introduites par les méthodes classiques de ”clamping” des tensions de références des convertisseurs multi-niveaux, limitant l’amplitude de la tension de sortie maximale atteignable, nous proposons une nouvelle méthode de linéarisation en dernière partie de ce mémoire. Il s’agit d’ajouter une composante homopolaire optimisée aux tensions de références des convertisseurs multi-niveaux pour linéariser le fondamental de leurs tensions de sortie, ce qui permet d’accroître le maximum de leur amplitude. Cette méthode est testée par simulation numérique dans la commande d’un système d’entraînement électrique complet lui permettant de fonctionner sur toute la plage de vitesse, sans affecter l’équilibrage des tensions des capacités du bus continu principal.

This thesis deals with multi-level power converters for electrical drive applications, used in particular in the field of Oil & Gas and marine propulsion, or for network applications such as reactive energy compensation. The objective is to optimize the controls of these converters in order to reduce the harmonic content of the output voltage and therefore of the current, a very important parameter for the sizing of both the output filters and the electrical machines connected to them. In the first part of this thesis, the different multi-level topologies are analyzed and three selected five-level topologies are compared in terms of the number of semiconductor components, losses, harmonic content and the energy stored in the passive elements. Depending on the application type, one of them is preferred over the others. In the second part, we proposed a method for reducing low frequency harmonics of the multilevel converter output voltage, which consists in controlling the phase of the PWM carriers for integer ratios of the switching frequency and the fundamental frequency. The minimization of low-frequency harmonics of the converter output voltage by optimizing the carrier phase is first validated by numerical simulations and then practically implemented and validated using a real time simulator RT-Lab. To overcome the problems of non-linearities introduced by the classical clamping methods of the reference voltages of multi-level converters, limiting the amplitude of the maximum achievable output voltage, we propose a new linearization method in the last part of this thesis. This involves adding an optimized zero-sequence component to the reference voltages of multi-level converters to linearize the fundamental of their output voltages, which makes it possible to increase their amplitude to its maximum achievable value. This method is tested by numerical simulation in the control of a complete electric drive system allowing it to operate over the entire speed range, without affecting the voltage balancing of the main DC bus capacitors.