Contribution à la continuité de service des convertisseurs statiques multiniveaux

par Florent Becker

Thèse de doctorat en Génie électrique

Sous la direction de Philippe Poure et de Shahrokh Saadate.

Le président du jury était Betty Lemaire-Semail.

Le jury était composé de Éric Monmasson, Mickaël Hilairet, Virginie Peron.

Les rapporteurs étaient Éric Monmasson, Mickaël Hilairet.


  • Résumé

    Ce mémoire s’inscrit dans le contexte général de la continuité de service des convertisseurs multiniveaux, lors de la défaillance d’un de leurs composants de puissance. Les structures concernées sont les topologies suivantes, largement utilisées dans les applications industrielles : Neutral Point Clamped (NPC) et Neutral Point Piloted (NPP) ou T-Type. Dans un premier temps, afin de limiter le taux de pannes du convertisseur, une commande contribuant à l’accroissement de la durée de vie des composants de puissance est tout d’abord proposée. Pour se faire, nous minimiserons sur chaque période le nombre de commutations des composants commandables à l’ouverture et à la fermeture. Cette idée a pour origine le fait qu’un convertisseur multiniveaux permet de générer le même niveau de tension de sortie à partir de plusieurs séquences de commutations différentes. Le principe de la commande proposée sera développé de manière générale, puis appliqué aux cas de structures type « Pont en H » à 5 niveaux, de type NPP (ou T-Type) et NPC. Ensuite, nous étudierons la continuité de service en mode nominal d’un convertisseur « Pont en H » à 5 niveaux, de type NPP (ou T-Type), suite à la défaillance en circuit ouvert d’un composant de puissance. Nous proposerons tout d’abord un diagnostic du défaut, constitué d’une première étape de détection, suivie d’une localisation précise du composant défaillant. Une topologie originale de convertisseur à tolérance de pannes permettra de garantir la continuité de service du système, en modifiant sa commande en adéquation avec le composant défaillant localisé. Des architectures électroniques numériques reconfigurables basées sur des composants FPGA (Field Programmable Gate Array) seront dédiées au diagnostic et à la reconfiguration de la commande ; elles permettront d’atteindre des performances temporelles élevées. L’ensemble des résultats présentés dans ce mémoire sera validé par modélisation/simulation, puis expérimentalement sur un banc de test

  • Titre traduit

    Contribution to the continuity of service of multilevel converters


  • Résumé

    This thesis deals with continuity of service of multilevel power converters, during the failure of one of their power components. The studied converter topologies are the following, widely used in industrial applications: Neutral Point Clamped (NPC) and Neutral Point Piloted (NPP) or T-Type. First, to reduce the failure rate of the converter, an advanced control is proposed ; it increases the lifetime of the power components by minimizing the number of switchings over a period. This idea is based on the fact that a multilevel converter makes possible to generate the same output voltage level from several different switching sequences. The principle of the proposed control will be developed in a general way. Then, it is applied to the cases of 5-level "H-bridge" topologies, NPP (or T-Type) and NPC. Then, the continuity of service in nominal mode is studied for a 5 level "H-brige" NPP (or T-Type) converter, when an open circuit failure occurs on a power component. We first propose a fault diagnosis, consisting in a fault detection step, followed by the location of the faulty component. Then, an original fault-tolerant converter topology will ensure the continuity of service of the system, by modifying the control according to the localized faulty component. Reconfigurable digital electronic architectures based on Field Programmable Gate Array (FPGA) components will be dedicated to the diagnosis and the reconfiguration of the control; they will perform high temporal performances. All the results presented in this paper are validated by modeling and simulation. Then, they are experimentally validated on a test bench


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