Approche générale pour la modélisation et la commande directe des convertisseurs statiques

General approach for the modeling and direct control of static power converters

• Auteur / Autrice : Manon Doré
• Direction : Germain Garcia, Yassine Ariba
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 28/10/2024
• Etablissement(s) : Université de Toulouse (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MAC - Méthodes et Algorithmes en Commande
• Partenaire(s) de recherche : établissement délivrant conjointement le doctorat : Toulouse, INSA
• Jury : Président / Présidente : Malek Ghanes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pauline Kergus, Jean-François Trégouët
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Malek Ghanes, Jamal Daafouz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Commande non linéaire

Liapounov, Fonctions de

Mots clés libres

Commande commutée

Commande convertisseur

Lyapunov

Commande non-Linéaire

Observateur

Non-Linear control

Switched control

Converter control

Lyapunov

Observer

Résumé

Cette thèse est consacrée à la modélisation et à la commande des convertisseurs électriques avec une approche générale. Tout d'abord, nous formalisons une méthodologie de modélisation qui systématise l'obtention d'un modèle de convertisseur dans le cadre des systèmes affines à commutation à partir du modèle physique. Cette classe de systèmes dynamiques hybrides permet de prendre en compte la nature commutée des convertisseurs, et d'envisager la commande directe des interrupteurs du circuit. La démarche proposée met en avant un modèle général, capable de représenter une large gamme de convertisseurs.Le modèle affine à commutation permet d'aborder la commande directe des convertisseurs dans un cadre général. En particulier, nous nous intéressons à l'étude de la loi de commande de type argmin, bien connue pour cette représentation. Ce résultat, issu de la littérature sur les systèmes affines à commutation, présente l'avantage de répondre à divers problèmes de commande, stabilisation ou poursuite, en modifiant simplement la référence de l'état. De plus, la synthèse des gains de la loi de commande est réalisée efficacement à partir de conditions de type LMI (Linear Matrix Inequality).En se focalisant sur les conditions de fonctionnement des convertisseurs, nous proposons deux extensions du schéma de commande : un observateur commuté pour les cas où l'état n'est pas complètement mesuré, et une boucle avec action intégrale basée sur un modèle d'équilibre des puissances pour rejeter les perturbations extérieures. Enfin, nous proposons une modification de la loi adaptée à une classe spécifique de convertisseurs, présentant une redondance importante dans la commande.Pour illustrer la généralité de la méthode proposée, les résultats sont validés sur de nombreux exemples de convertisseurs, à l'aide de simulations réalisées avec MATLAB/Simulink ainsi que PLECS.

This thesis focuses on the modeling and control of electrical converters, with a general approach. First, we formulate a modeling methodology that systematizes the derivation of a converter model in the framework of affine switched systems from the physical model. This class of hybrid dynamic systems enables to take into account the switched nature of converters, and to consider the direct control of circuit switches. The proposed approach highlights a general model, able to represent a wide range of converters.The switched affine system enables us to consider the direct control of converters within a general framework. In particular, we are interested in studying the argmin-type control law, well known for this model. This result, taken from the literature on affine switching systems, has the advantage of addressing various control problems, stabilization or tracking, by simply modifying the state reference. Moreover, the design of the control law gains is efficiently performed using LMI (Linear Matrix Inequality) conditions.Focusing on converter operating conditions, we propose two extensions to the control scheme~: a switched observer for the case where the state is not completely measured, and an integral action loop based on a power balance model to reject external disturbances. Finally, we propose a modification of the law adapted to a specific class of converter, with significant redundancy in the control.To illustrate the generality of the proposed method, the results are validated on numerous converter examples, using simulations performed with MATLAB/Simulink as well as PLECS.