Contribution au développement d'un convertisseur DC-DC haute puissance faible tension pour des applications électrolyseur à membrane échangeuse de protons

Contribution to the development of a high-power low-voltage DC-DC converter for proton exchange membrane electrolyzer applications

• Auteur / Autrice : Burin Yodwong
• Direction : Melika Hinaje, Damien Guilbert, Matheepot Phattanasak, Wattana Kaewmanee
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 10/06/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec King Mongkut's university of technology North Bangkok (Thaïlande)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Groupe de recherche en énergie électrique de Nancy (Vandœuvre-lès-Nancy)
• Jury : Président / Présidente : Hamid Gualous
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Melika Hinaje, Damien Guilbert, Matheepot Phattanasak, Wattana Kaewmanee, Christophe Turpin, Yuttana Kumsuwan, Napat Watjanatepin
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Turpin, Yuttana Kumsuwan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génération d'hydrogène

Simulation, Méthodes de

Électrolyseurs

Électronique de puissance

Convertisseurs continu-continu

Mots clés libres

Fiabilité

Électronique de puissance

Commande

Electrolyseur

Modélisation

Modeling

Electrolyzer

Power electronics

Control

Reliability

Résumé

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre d’un accord de cotutelle entre l’Université de Lorraine, IUT de Longwy, laboratoire GREEN et Renewable Energy Research Centre (RERC), King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thaïlande. Par ailleurs, cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de bourses Franco-Thaï 2019 soutenu par l’ambassade de France en Thaïlande et Campus France. L’objectif principal de cette thèse est de développer un convertisseur DC-DC dévolteur basse tension haute puissance et un algorithme de contrôle non linéaire pour des applications d’électrolyseurs PEM. Tout d’abord, les technologies d’électrolyseurs et les topologies de convertisseurs DC-DC pour des systèmes de production d’hydrogène reposant sur le processus d’électrolyse de l’eau ont été étudiées avec attention. De plus, une étude bibliographique des modèles d’électrolyseurs PEM a été réalisée pour analyser les comportements statiques et dynamiques de ces derniers. Dans ce travail, la technologie d’électrolyseur PEM a été considérée en raison de ses avantages principaux tels que sa densité de courant élevée, sa réponse rapide aux sollicitations dynamiques, et sa large plage de fonctionnement. De là, cette technologie est particulièrement bien adaptée pour être couplée avec des sources d’énergies renouvelables. Cependant, les électrolyseurs peuvent être vus comme des charges électrochimiques basse tension fort courant exigeant en conséquence un convertisseur DC-DC dévolteur adapté. Après avoir effectué une analyse bibliographique sur les convertisseurs DC-DC les plus utilisés et les topologies candidates pour cette application, un convertisseur buck entrelacé trois niveaux (communément appelé three-level interleaved buck converter (TLIBC)) a été choisi dû à ses caractéristiques principales. En effet, cette topologie est caractérisée par une ondulation de courant de sortie faible, une conversion en tension faible, et une disponibilité en cas de défaillances électriques. Dans un second temps, un émulateur d’électrolyseur PEM a été conçu et implémenté en s’appuyant sur les comportements statiques et dynamiques d’un électrolyseur PEM commercial. Cet émulateur a été utilisé avec le convertisseur buck entrelacé trois niveaux pour éviter toute condition de fonctionnement critique qui pourrait endommager un électrolyseur physique pendant les phases d’expérimentation. Enfin, pour assurer d’excellentes performances du système, un contrôle non-linéaire mode glissant (communément appelé sliding-mode control (SMC)) amélioré a été conçu pour le convertisseur étudié. Le choix de ce contrôleur est motivé par ses bénéfices en termes de réponse dynamique et robustesse contre les incertitudes de paramètres du système. Ensuite, le convertisseur piloté par le contrôle non-linéaire mode glissant a été testé en simulation et expérimentalement. Les résultats obtenus à la fois en simulation et en pratique ont démontré la robustesse du contrôleur proposé dans la gestion du courant de sortie (i.e. réglage du débit d’hydrogène) qui suit avec précision une référence donnée avec une faible ondulation de courant de sortie, tout en garantissant l’équilibre des tensions des deux condensateurs d’entrée en conditions de fonctionnements dynamiques et d’incertitudes des paramètres.

This Ph.D. work has been carried out within the framework of a cotutelle agreement between the Group of Research in Electrical Engineering of Nancy (GREEN), Université de Lorraine, IUT de Longwy section, France, and Renewable Energy Research Centre (RERC), Thai French innovation institute, Faculty of technical education, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Thailand. Besides, this Ph.D. comes within the scope of the 2019 Franco-Thai Scholarship Program supported by the French Embassy in Thailand and Campus France. The major goal of this Ph.D. work is to develop a high-power low voltage step-down DC-DC converter and a non-linear control algorithm for PEM electrolyzer applications. First, the electrolyzer technologies and power electronics topologies for hydrogen production systems relying on water electrolysis process have been thoroughly studied. Besides, a literature review of PEM electrolyzer models has been carried out to investigate static and dynamic behaviors. In this work, PEM electrolyzer technology has been considered due to their main advantages such as high current densities, fast dynamic responses, and large partial load range. Hence, this technology is perfectly fit to be coupled with renewable energy sources. However, PEM electrolyzers are low-voltage high-current electrochemical loads requiring the use of a suitable step-down DC-DC converter. After reviewing the most used topologies and topologies candidates for this application, a three-level interleaved buck converter (TLIBC) has been chosen because of their main benefits. Indeed, the main features of the TLIBC are low output current ripple, low step-down conversion ratio gain, and availability in case of electrical failures. Second, a PEM electrolyzer emulator has been designed and implemented based on the static and dynamic behavior of a commercial PEM electrolyzer. This emulator has been used with the TLIBC to avoid critical operating conditions that may damage a real electrolyzer during experimental tests. Finally, to ensure excellent performance of the system, a non-linear improved sliding-mode control (SMC) has been designed for the TLIBC. The choice of this controller has been motivated by its major benefits such as fast dynamic response and robustness against parameters uncertainties. Then, the TLIBC driven by the improved SMC has been tested in simulation and experimentally. Both obtained simulation and experimental results have demonstrated the robustness of proposed control laws in managing the output inductor current (i.e., hydrogen flow rate) that precisely follows its reference with very low current ripple, while guaranteeing the balance of both input capacitors voltages with respect to the dynamic operating condition and uncertainty parameters.