Etude d’un convertisseur DC-DC pour les réseaux haute tension à courant continu (HVDC) : modélisation et contrôle du convertisseur DC-DC modulaire multiniveaux (M2DC)

A DC-DC power converter study for High Voltage Direct Current (HVDC) grid : Model and control of the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC)

• Auteur / Autrice : Yafang Li
• Direction : Philippe Le Moigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 11/07/2019
• Etablissement(s) : Ecole centrale de Lille
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Lille ; 1992-2021)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP) - Laboratoire d'électrotechnique et d'électronique de puissance (L2EP)
• Jury : Président / Présidente : Philippe Ladoux
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadine Chapalain-Le Floc'h, Michäel, Marc, Claude Merlin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Seddik Bacha, Mauro Carpita

Mots clés

Mots clés contrôlés

Haute tension

Réseaux électriques d'interconnexion

Électronique de puissance

Simulation, Méthodes de

Modèles mathématiques

Convertisseurs continu-continu

Mots clés libres

MTDC

DC/DC

Modélisation

Contrôle

Hardware-In-the-Loop (HIL)

Analyse en régime établi

Simulation en temps réel

M2DC

MTDC

DC/DC

Modelling

Control

Hardware-In-the-Loop

Steady state analysis

Real-time simulation

M2DC

Résumé

Les travaux présentés dans ce mémoire portent sur les convertisseurs continu-continu (DC/DC) pour les réseaux de transport à Courant Continu (HVDC) dans un contexte de réseau maillé de type Multi Terminaux DC (MTDC). Dans ce genre de réseau, les convertisseurs DC/DC sont nécessaires pour interconnecter ces réseaux. L’objectif de ce travail est donc d’étudier un convertisseur DC/DC pour des applications à haute tension et forte puissance. De nombreux convertisseurs DC/DC classiques existent, mais ne sont pas adaptés à ces niveaux de tension et puissance. Le volume et coût sont les points clés de l’étude pour l’industrialisation des structures dédiées aux réseaux HVDC. Parmi les structures identifiées, le convertisseur DC-DC Modulaire Multiniveaux (M2DC), récent et compact, a été finalement choisi. Le travail proposé développe l’étude du M2DC en régime établi et une modélisation en modèle moyen de ce convertisseur. Ensuite, des lois de contrôle sont proposées pour valider les analyses précédentes sur la base du principe de l’inversion du modèle. Le travail vise enfin à valider les analyses et le contrôle à l’aide de la maquette du Convertisseur Modulaire Multiniveaux (MMC) du L2EP. Pour cela, un dimensionnement du M2DC basé sur le MMC existant est proposé. Enfin, des simulations HIL (Hardware-In-the-Loop) valident les analyses et montrent la faisabilité du prototypage du M2DC

This work is based on Multi Terminal Direct Current (MTDC) grids. In the MTDC grid, DC/DC converter stations are needed to connect different HVDC grids. A lot of DC/DC converters have been studied and developed, but are not suitable for high voltage and great power constraints. Therefore, the objective of this work is the study of a DC/DC converter for high voltage and great power applications. For the potentially HVDC applications, the volume and costs are major criteria. According to this, a high voltage and great power potential DC/DC converter is selected, which is the DC-DC Modular Multilevel Converter (M2DC). Focusing on the M2DC, the work proposes analyses in steady state and builds an average model for the converter. Based on the average model, the basic control algorithm for the converter is developed to validate the previous analysis. Since the thesis aims to use the existing L2EP Modular Multilevel Converter (MMC) to test the M2DC model and control, a design of the M2DC based on MMC is proposed. Finally, the M2DC HIL (Hardware In-the-Loop) simulations results are presented confirming previous analyses and allowing to go on to prototyping the M2DC on the base of the existing MMC