Contrôle du Compensateur Actif Parallèle à Génération Photovoltaïque pour les Réseaux Intelligents

Control of Shunt Active Photovoltaic Compensator for Smart Grids

• Auteur / Autrice : Nabil Karania
• Direction : Mohamad Alaa Eddin Alali, Jean-Pierre Barbot, Stefano Di Gennaro
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : STIC (sciences et technologies de l'information et de la communication) - ED SI
• Date : Soutenance le 25/07/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Università degli studi (L'Aquila, Italie)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Quartz (Saint-Ouen, Seine-Saint-Denis)
• Jury : Président / Présidente : Carlo Cecati
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mohamad Alaa Eddin Alali, Jean-Pierre Barbot, Stefano Di Gennaro, Carlo Cecati, Malek Ghanes, Hamzeh Beiranvand
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Malek Ghanes, Hamzeh Beiranvand

Mots clés

Mots clés libres

Filtre Actif Parallèle

Onduleur Multi-Niveaux

Système de Contrôle Hybride

Convertisseur AC/DC/AC

Technique de Modulation

Système Photovoltaïque

Shunt Active Filter

Multi-Level Inverter

AC/DC/AC Converter

Hybrid Control System

Modulation Technique

Photovoltaic System

Résumé

Dans les réseaux de distribution électrique et les réseaux intelligents, l'adoption généralisée des composants électroniques de puissance pose divers défis en matière de qualité de l'énergie. L'intégration des sources d'énergie renouvelable aggrave ces défis en raison des fluctuations de tension, des écarts de fréquence et de la distorsion des formes d'onde inhérents à ces sources, dont les performances dépendent des conditions météorologiques. Cette thèse aborde ces défis à travers trois solutions visant à améliorer la qualité de l'énergie électrique dans les réseaux de distribution, en se focalisant sur l'intégration des systèmes photovoltaïques (PV) dans la troisième solution.La première solution introduit une Structure Multi-Niveaux Développée du Convertisseur AC/DC/AC. Elle vise à réguler l'amplitude de tension, à garantir une tension de sortie en escalier approchant une sinusoïde et à éliminer un large rang d'harmoniques, y compris les harmoniques prédominantes affectant les charges sensibles telles que les entraînements de moteurs asynchrones. Ce travail développe une nouvelle technique de modulation pour contrôler la partie DC/AC du convertisseur, configurée via un onduleur en pont en H asymétrique en cascade.La deuxième solution implique un Système Avancé de Contrôle Hybride pour le Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette solution améliore les performances du filtre actif parallèle, augmente sa fréquence de commutation apparente et réduit la taille de son filtre de couplage de sortie. Le contrôleur hybride, mis en œuvre à l'aide de réseaux de Petri (PN), assure un suivi de haute performance du courant de compensation, en plus de stabiliser, contrôler et équilibrer les tensions DC sur les entrées d'onduleur multi-niveaux. Une stabilité pratique des erreurs de tension continue est prouvée via le théorème de Lyapunov. Cette solution est explorée pour n modules en pont en H par phase, et les validations de mesure réelle et de simulation sont testées pour 2 et 3 modules dans un milieu industriel réel pour prouver son efficacité.La troisième solution présente une Structure PV connectée au réseau avec Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette configuration améliore la qualité de l'énergie électrique et fournit de l'énergie renouvelable pour les charges et le réseau. Les entrées DC de l'onduleur multi-niveaux sont connectées directement aux sous-systèmes PV ou via des convertisseurs DC-DC. Des contrôleurs linéaires établissent la stratégie de contrôle du filtre actif parallèle basée sur (n) modules en pont H, comprenant l'injection de courant de compensation, la maximisation de la puissance produite par le système PV et la régulation des tensions DC sur les condensateurs. La modulation par largeur d'impulsion multi-porteuses assure une distribution équilibrée de l'énergie entre les modules. Des algorithmes de suivi du point de puissance maximale (MPPT), tels que Perturber et Observer (P&O), avec trois stratégies de contrôle comprenant le contrôleur proportionnel intégral, le rapport cyclique, et la commande prédictive (MPC), maximisent la génération d'énergie du sous-système PV. Le convertisseur DC-DC utilise des techniques de modulation PWM pour maintenir une fréquence de commutation constante.Les performances des trois solutions sont validées dans une usine textile souffrant d'impacts harmoniques sur la principale machine textile, représentant une charge sensible de 50 kVA, fournie par un entraînement de moteur asynchrone. Cet entraînement de moteur est sensible aux rangs prédominants du couple et des harmoniques de tension, nécessitant un contrôle approprié. Pour garantir des résultats fiables, des mesures sur site à l'aide d'appareils d'analyse de la qualité de l'énergie électrique sont collectées pour modéliser numériquement le réseau de l'usine. Les performances de chaque solution sont étudiées sur la charge sensible de cette usine textile.

In the electrical distribution networks and smart grids, the widespread adoption of power electronics components among customer loads poses diverse challenges to power quality. The integration of renewable energy sources further exacerbates these challenges due to voltage fluctuations, frequency deviations, and waveform distortion inherent in these sources, significantly dependent on weather conditions. This thesis addresses these challenges through three distinct solutions for power quality improvement in distribution networks, focusing on integrating renewable energy sources, particularly photovoltaic (PV) systems, in the third solution.The first solution introduces a developed multi-level structure of an AC/DC/AC Converter. This solution aims to regulate voltage amplitude, ensure sinusoidal-like output stepping voltage, and mitigate a wide range of harmonics, including the predominant harmonics affecting sensitive loads such as asynchronous motor drives. To address these aspects, this work develops a novel modulation technique to control the DC/AC part of the converter, configured via an Asymmetrical Cascaded H-Bridge Inverter.The second solution involves an Advanced Hybrid Control System Developed for Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This solution improves the performance of the shunt active filter, raises its apparent switching frequency, and reduces the size of its output coupling filter. The hybrid controller, implemented using Petri Nets (PNs), ensures high-performance tracking of the compensating current, in addition to stabilizing, controlling, and balancing the DC voltages across the MLI inputs. The practical stability of the DC voltage errors is analytically proved via the Lyapunov theorem. This solution is explored in detail for n H-Bridge modules per phase, with real measurement and simulation validations evaluated for 2 and 3 H-Bridge modules per phase within a real industrial environment to prove the structure's effectiveness.The third solution presents a Grid-Connected PV Structure Incorporated with a Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This configuration enhances power quality and provides renewable energy for both loads and the grid. The DC inputs of the multi-level inverter are connected directly to PV subsystems or via DC-DC converters. Linear controllers are employed to establish the control strategy for the shunt active filter based on (n) H-bridge modules, including injecting compensating current, maximizing the produced power of the PV system, and regulating DC voltages across capacitors. Multi-carrier PWM modulation ensures balanced power distribution among the modules. Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms, such as Perturb & Observe (P&O), with three control strategies including Proportional Integral, Duty-cycle, and Model Predictive Controller, are employed to maximize PV subsystem power generation. Additionally, the DC-DC converter utilizes PWM modulation techniques across all three control strategies to maintain a consistent switching frequency.The performance of the three aforementioned solutions is validated, for finite HB modules, within a textile factory suffering from harmonic impact on the main textile machine, which represents a sensitive load of 50 kVA, driven by an asynchronous motor. This motor drive is highly sensitive to predominant torque and voltage harmonics, requiring appropriate control of the fundamental output voltage amplitude and the phase and amplitude of the harmonic voltage components. This control system is particularly designed to regulate motor speed variation and mitigate undesired fluctuations caused by harmonic torques. To ensure reliable results, on-site measurements using power quality analyzer devices are collected to create a numerical model of the entire factory's network. Finally, the performance of each solution is investigated on the sensitive load operating within this textile factory.