Étude, mesure et modélisation de la propagation des émissions conduites dues aux chargeurs embarqués dans les réseaux avec différents systèmes de mise à la terre

Study, measurement, and modeling of the propagation of conducted emissions due to on-board chargers in grids with various earthing systems

• Auteur / Autrice : Mohsen Seddighi
• Direction : François Costa, Pierre-Etienne Lévy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 11/07/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Electrical, optical, bio : physics and engineering (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et Applications des Technologies de l'Information et de l'Energie
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Ecole Normale Supérieure Paris-Saclay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l’ingénierie et des systèmes (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Schanen
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadir Idir, Christian Vollaire, Françoise Paladian, François de Daran
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Nadir Idir, Christian Vollaire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique de puissance

Véhicules électriques

Mots clés libres

Electronique de puissance

CEM conduite et rayonnée

Véhicules électriques (VE)

Power Electronics

Conducted and radiated EMI

Electric vehicles (EVs)

Résumé

La transition vers le véhicule électrique (VE), motivée par les politiques de décarbonation des transports et les avancées technologiques significatives en matière de stockage et de conversion de l'énergie électrique va se poursuivre dans les décennies à venir. En outre, les futurs chargeurs embarqués (On Board Charger - OBC) bidirectionnels en puissance vont contribuer à une plus grande stabilité du réseau, à l'effacement des pointes, voire même à améliorer l'intégration des ressources énergétiques renouvelables : on parle du concept ''véhicule-à-réseau'' (V2G). Cela signifie que non seulement le nombre de VE augmentera, mais aussi leurs temps de charge et de décharge connectés au réseau.Les besoins de compacité des équipements, favorisés par la disponibilité de composants à grande vitesse de commutation (SiC GaN) ont incité les constructeurs à accroitre les fréquences de fonctionnement des chargeurs embarqués ( > 50-100 kHz) avec comme corolaire l'augmentation de leurs émissions électromagnétiques conduites et rayonnées. En conséquence, ces sources de bruit restent connectées au réseau et fonctionnent durant des périodes prolongées, ce qui rend nécessaire d'anticiper de potentiels problèmes de compatibilité électromagnétique (CEM) dans les réseaux d'énergie : c'est le propos général de ce travail.L'un des objets de cette thèse concerne la méthode normalisée de mesure des émissions conduites dans laquelle l'impédance de mesure du bruit via le réseau de stabilisation de l'impédance de ligne (RSIL) n'est pas toujours représentative de l'impédance du réseau BT, ni évidemment de ses possibles fluctuations. Ainsi, les différents systèmes de mise à la terre fournis-sent des chemins présentant des impédances HF différentes qui peuvent modifier le niveau des émissions. Par conséquent, l'écart entre la configuration normative avec RSIL et l'impédance réelle au point d'accès du réseau électrique peut impacter l'efficacité du filtrage CEM, entraînant de potentiels dysfonctionnements dans les systèmes voisins et/ou connectés sur le même réseau.Le besoin d'analyse des variations d'impédance et les conséquences sur les filtres CEM nous ont conduit à développer et mettre en œuvre une méthodologie pour mesurer l'impédance HF de la terminaison de bruit en fonctionnement sous tension réseau nominale et en l'absence du RSIL. Cette approche permet de mesurer l'impédance en ligne de divers équipements et alimentations, en particulier le réseau de distribution. Partant de ces observations, l'étude de l'impact de l'impédance réelle du réseau sur le volume optimisé d'un filtre CEM a été abordé au travers de scénarios où différents niveaux normatifs ont été considérés.Afin d'examiner les émissions conduites causées par notre prototype de chargeur embarqué bidirectionnel dans un environnement contrôlé sans RSIL, un micro-réseau relié au réseau réel via un transformateur d'isolation a été réalisé. Ceci nous a permis de contrôler ses paramètres : impédance de source, longueur des câbles, système de mise à la terre et de maîtriser les variations d'impédance dues aux charges localement connectées. Les émissions conduites ont été ensuite mesurées et analysées en différents points du micro-réseau selon différentes configurations (régime de terre et différentes charges sur le micro-réseau).Parallèlement, un modèle fréquentiel du micro-réseau a été établi avec une nouvelle approche basée sur l'utilisation d'un solveur de type SPICE et sur l'acquisition expérimentale d'impédances élémentaires, permettant une simulation plus rapide pour des grands systèmes. Ce travail a été suivi par des procédures de vérification rigoureuses pour assurer la précision et la fidélité du modèle. Un modèle comportemental de type « boîte noire » a été développé pour l'OBC, définissant la source de bruit et ses impédances. Il est ainsi possible de simuler les ni-veaux de courant parasites en tout point du micro-réseau, quelque soit les charges connectées.

The transition to electric vehicles (EVs), driven by policies to decarbonize transport and significant technological advances in electrical energy storage and conversion, will continue over the coming decades. What's more, future on-board chargers (OBCs) with bidirectional power supply will contribute to greater grid stability, peak-shaving, and even improved integration of renewable energy resources: we're talking about the ''vehicle-to-grid'' (V2G) concept. This means that not only will the number of EVs increase, but also their charging and discharging times when connected to the grid.The need for compact equipment, favored by the availability of high-speed switching components (SiC GaN), has prompted manufacturers to increase the operating frequencies of OBCs (> 50-100 kHz), with the corollary of increasing their conducted and radiated electromagnetic emissions. As a result, these noise sources remain connected to the grid and operate for extended periods, making it necessary to anticipate potential Electromagnetic Compatibility (EMC) problems in energy networks: this is the general aim of this work.One of the subjects of this thesis concerns the standardized method of measuring conduct-ed emissions, in which the noise measurement impedance via the Line Impedance Stabilization Network (LISN) is not always representative of the impedance of the LV network, nor of course of its possible fluctuations. Thus, different grounding systems provide paths with different HF impedances, which can alter the level of emissions. Consequently, the discrepancy between the normative configuration with LISN and the actual impedance at the point of access to the power network can impact the effectiveness of EMC filtering, leading to potential malfunctions in neighboring systems and/or those connected to the same network.The need to analyze impedance variations and their consequences on EMC filters led us to develop and implement a methodology for measuring the RF impedance of the noise termination while operating at nominal mains voltage and in the absence of the LISN. This approach makes it possible to measure the line impedance of various equipment and power supplies, in particular, the distribution network. Based on these observations, the study of the impact of actual network impedance on the optimized volume of an EMC filter was approached through scenarios where different normative levels were considered.In order to examine the conducted emissions caused by our prototype bidirectional on-board charger in a controlled environment without LISN, a microgrid connected to the real net-work via an isolation transformer was built. This enabled us to control its parameters: source impedance, cable length, grounding system and to control impedance variations due to locally connected loads. Conducted emissions were then measured and analyzed at various points on the microgrid, according to different configurations (grounding regime and different loads on the microgrid).In parallel, a frequency model of the microgrid was established using a new approach based on the use of a SPICE-type solver and the experimental acquisition of elementary impedances, enabling faster simulation for large systems. This work was followed by rigorous verification procedures to ensure model accuracy and fidelity. A ''black box'' behavioral model has been developed for the OBC, defining the noise source and its impedances. This makes it possible to simulate parasitic current levels at any point in the microgrid, whatever the connected loads.As a result, the model of the entire system has enabled us to analyze impedance variations and conducted emissions in an extended version of the realized system. The thesis will present a synthesis of the results.