Conception et commande d’un contrôleur de flux de puissance pour les réseaux électriques en basse tension continue

Design and control of a power flow controller for low voltage direct current electric grids

• Auteur / Autrice : Tanguy Simon
• Direction : Hervé Morel, Xuefang Lin-Shi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et électronique
• Date : Soutenance le 25/10/2022
• Etablissement(s) : Lyon, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1992?-....)
• Partenaire(s) de recherche : Membre de : Université de Lyon (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : EE - Ampère, Département Energie Electrique
• Jury : Président / Présidente : Pierre Riedinger
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hervé Morel, Xuefang Lin-Shi, Pierre Riedinger, Xavier Roboam, Giorgio Valmorbida, Jean-François Trégouët, Ionela Prodan
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Roboam, Giorgio Valmorbida

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Basse tension

Électronique de puissance

Mots clés libres

Electronique de puissance

Commande électrique

Convertisseur de puissance

Modélisation dynamique

Commande robuste

Micro-Réseaux

Courant électrique

Convertisseur de basse tension

Basse tension continue

Power Electronics

Electric Control

Power converters

Dynamic modeling

Robust control

Microgrids

Electric Power Conversion

Low Voltage Converter

DC low voltage

Résumé

L'installation de générateurs d'énergie renouvelable distribués tels que les panneaux photovoltaïques sur les toitures ainsi que les éoliennes en milieu rural ou industriel transforme profondément les réseaux de distribution. Ainsi, les flux de puissance dans les lignes électriques du réseau peuvent être fortement modifiés voire inversés, si bien que certaines lignes peuvent s'en retrouver surchargées et en sur ou sous-tension. Afin d'améliorer la flexibilité des réseaux et de résoudre ces problèmes, il est pertinent d'une part de mailler le réseau, et d'autre part de passer du courant alternatif au courant continu. Un réseau maillé en courant continu équipé de générateurs non pilotables (panneaux photovoltaïques, éoliennes) requiert alors des \emph{contrôleurs de flux de puissance}, c'est-à-dire des dispositifs électroniques capables de piloter la puissance circulant dans chacune des branches auxquelles ils sont reliés. Après avoir choisi une architecture de convertisseur pour remplir une telle fonction, nous montrons qu'elle peut être modélisée par un système dynamique bi-linéaire dont la sortie est polynomiale. De plus, en vue de pouvoir prendre en compte les incertitudes du réseau, nous construisons un modèle dont les paramètres sont incertains. Nous analysons alors le modèle ainsi que ses limites physiques, et dégageons des conditions d'existence de points d'équilibre, qui permettent de cerner l'espace dans lequel les paramètres incertains peuvent exister. Nous proposons deux nouvelles lois de commande pour lesquels des garanties de stabilité et de robustesse ont été obtenues via le modèle dynamique du convertisseur. Ces deux lois sont comparées entre elles et avec une commande classique de type PI multivariable sur un banc d'essai expérimental. De manière plus générale, cette étude permet également de proposer une méthode pour la régulation de sortie des systèmes soumis à des incertitudes paramétriques.

The installation of distributed renewable energy generators such as photovoltaic panels on roofs as well as wind turbines in rural or industrial environments profoundly transforms the distribution networks. Thus, the power flows in the power lines of the network can be strongly modified or even reversed, so that some lines may become overloaded and in over or under voltage. In order to improve the flexibility of the networks and to solve these problems, it is appropriate to mesh the network on one hand and to switch from alternating current to direct current on the other. A direct current meshed network equipped with non-dispatchable generators (photovoltaic panels, wind turbines) requires emph{power flow controllers}, that is, electronic devices capable of controlling the power circulating in each of the branches to which they are connected. After choosing a converter architecture to fill in this function, we show that it can be modeled by a bilinear dynamic system with a polynomial output. In addition, in order to take into account the uncertainties of the network, we construct a model whose parameters are uncertain. We then analyze the model and its physical limitations, and identify conditions of existence of equilibrium points, which allow us to identify the space in which uncertain parameters may exist. We propose two new control laws for which the proofs of stability and robustness are obtained via the dynamic converter model. These two laws are compared with each other and with a conventional multivariable PI controller on an experimental test bench. On a broader spectrum, this study proposes a method for the output regulation of uncertain nonlinear systems.