Convertisseur « cluster » à base de multi ports active-bridge : application aux smartgrids

'Cluster' converters based on multi-port active-bridge : application to smartgrids

• Auteur / Autrice : Soleiman Galeshi mooziraji
• Direction : Yves Lembeye, David Frey
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 16/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• 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 : Frédéric Wurtz
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hossein Iman-Eini
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Philippe Ladoux, Philippe Le Moigne

Mots clés

Mots clés contrôlés

Algorithmes

Simulation, Méthodes de

Convertisseurs continu-continu

Réseaux électriques intelligents

Mots clés libres

Controle integré

Multi-Sources

Dimensionnement

Convertisseur DAB

Cluster de convertisseurs

Modelisation

Design

Multi-Inputs

Integrated control

DAB converter

Cluster of converters

Modeling

Résumé

Cette thèse présente une architecture de réseau Smartgrid AC et DC dans lesquels se trouvent des sources renouvelables et des systèmes de stockage d'énergie. Les blocs permettant de les interconnecter sont des systèmes de conversion génériques basés sur une structure de type multi port active-bridge (MAB). Ce manuscrit commence par une introduction de l'architecture globale et de ses caractéristiques. Les possibilités de « Clustérisassions » pour améliorer la flexibilité, le rendement et la fiabilité au niveau système sont examinées dans le premier chapitre. Des simulations sont utilisées pour montrer que cette approche, associée à une stratégie d'optimisation globale basée sur des modèles de convertisseurs, sont capables d'améliorer l'efficacité globale du système. La structure MAB, en tant que bloc central du convertisseur cluster, est le sujet d'une grande partie de cette thèse.Le deuxième chapitre commence par une comparaison de la topologie MAB avec d'autres topologies, et discute des avantages des convertisseurs MAB dans un cluster de convertisseurs. Un convertisseur MAB peut échanger simultanément de l'énergie entre toutes les sources et charges dans les deux directions, tout en assurant une isolation galvanique entre elles. Sa topologie évolutive et symétrique permet des algorithmes d'optimisation structurés et modulaires pour la modélisation, la conception et le contrôle. Différents modèles de convertisseurs MAB et différentes méthodes de contrôle de la puissance sont proposés. En outre, une procédure de conception pour les convertisseurs MAB est présentée.Le troisième chapitre poursuit les discussions sur les convertisseurs MAB. Il commence par étudier les différents types de pertes dans ces convertisseurs et propose des modèles de pertes pour différentes applications. Les risques de saturation dans le circuit magnétique du transformateur sont expliqués. Les origines des courants continus dans les enroulements des transformateurs, qui provoquent la saturation, sont étudiées et des solutions sont présentées. Un dispositif innovant est proposé pour la mesure des courants continus ainsi qu'une validation expérimentale. Différentes modulations de tension pour gérer les variations de tension du sources d’entrée continues en entrée du MAB qui peuvent se produire du fait des caractéristiques des sources/charges connectées, sont introduites et comparées, en utilisant le modèle de perte.Un prototype de convertisseur MAB 4×2 kW à quatre ports a été conçu et construit dans le G2Elab. Il a été utilisé pour la mise en œuvre et la validation des modèles et des schémas de contrôle qui ont été proposés dans le cadre de ce travail. En outre, une solution « Hardware-in-the-Loop » (HIL) a été utilisée afin de valider les lois de contrôle et leur implémentation dans le contrôleur avant de le connecter à la structure de conversion finale. Différents scénarios et points de fonctionnement ont été testés sur le prototype, en comparant les modèles théoriques, les prédictions et les méthodes de contrôle aux mesures expérimentales. Les résultats ont montré de bonnes conformités et certaines non-conformités, qui sont toutes discutées en détail.La dernière partie de ce travail conclut que le cluster de convertisseurs MAB proposé est une solution prometteuse pour les réseaux électriques de type Smartgrids. L'étude de la topologie du MAB a montré qu'il peut être modélisé et contrôlé de manière évolutive, ce qui permet de mettre en œuvre des schémas de modélisation, de conception et de contrôle de l'optimisation modulaire dans des grappes à grande échelle.

This work proposes a network architecture based on a generic converter structure as its core block, multi-port active-bridge (MAB) structure, for application in microgrids with renewable sources, energy storage devices, DC grids and AC grids. It starts with an introduction to the architecture and its characteristics. The potentials of clustering in enhancing efficiency, flexibility, and reliability of the system are discussed in the first chapter. Simulations are used to show that clustering and a global optimization strategy based on converter models are able to enhance the global system efficiency. The MAB structure, as the core block of the cluster converter, is the subject of a major part of this thesis.The second chapter starts by comparing the MAB topology to other topologies, and discussing the benefits of MAB converters in a cluster of converters. A MAB converter can simultaneously exchange energy between all sources and loads in either directions, while providing galvanic isolation between them. Its scalable and symmetric topology allows structured and modular optimization algorithms for modeling, design and control. Different models of MAB converters and power control methods are proposed. Additionally, a design procedure for MAB converters is presented.The third chapter continues the discussions on MAB converters. It starts by studying different types of losses in these converters and proposing loss models for different applications. Risk of saturation in magnetic of the transformer are explained. The origins of the DC currents in transformer windings, that cause saturation, are studied and solutions are presented. An innovative setup is proposed for measurement of DC currents along with experimental validation. Different voltage modulations for addressing DC link voltage variations that often occur in MAB converters are introduced and compared, using the loss model.A four-port 4×2 kW MAB converter prototype was designed and built in G2Elab. It was used for implementation and validation of the models and control schemes that were proposed in this work. Additionally, hardware-in-the-loop (HIL) validation was used as a first validation and as a quick and low-risk tool for solving potential issues in implementation of the embedded control. Different scenarios and operating points were tested on the prototype, comparing theoretical models, predictions and control methods against the experimental measurements. The results showed good conformities and certain nonconformities, all of which are discussed in detail.The final part of this work concludes that the proposed cluster of MAB converters is a promising solution for electrical network of microgrids. Studying MAB topology showed that it can be modeled and controlled in a scalable way, allowing for implementation of modular optimization modeling, design and control schemes in large scale clusters.