Stratégies de contrôle optimisées pour les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMCs) connectés au réseau basse tension

Optimized Control Strategies for Low Voltage Grid-connected Modular Multilevel Converters (MMCs)

• Auteur / Autrice : Anthony Abdayem
• Direction : Éric Monmasson, Flavia Khatounian, Jean Sawma
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique et électronique - Cergy
• Date : Soutenance le 23/10/2024
• Etablissement(s) : CY Cergy Paris Université en cotutelle avec Université Saint-Joseph (Beyrouth). Ecole supérieure d'ingénieurs de Beyrouth
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie (Cergy-Pontoise, Val d'Oise)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Systèmes et applications des technologies de l'information et de l'énergie (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Monmasson, Flavia Khatounian, Jean Sawma, Serge Pierfederici, Nicolas Patin, Matia Ricco, Olivier Bethoux, Ramon Blasco-Gimenez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Serge Pierfederici, Nicolas Patin

Mots clés

Mots clés libres

Convertisseur Modulaire Multiniveau

Technique de Modulation

Algorithme de tri

Fault-Tolerant Control

Contrôle optimisé

Modular Multilevel Converter

Modulation Technique

Sorting Algorithm

Contrôle tolérant aux pannes

Optimized Control

Résumé

Le convertisseur modulaire multiniveaux (MMC) s'est imposé comme l'une des topologies les plus prometteuses pour les applications à moyenne et haute tension ainsi qu'à haute puissance. Récemment, il a également montré son potentiel pour des applications nécessitant de faibles tensions, appelées mini MMCs, qui contiennent un plus petit nombre de sous-modules par bras. Les caractéristiques clés des MMCs incluent la modularité, l'évolutivité en tension et en puissance, la tolérance aux pannes, le fonctionnement sans transformateur et des formes d'onde de sortie de haute qualité. Ces dernières années, de nombreuses études de recherche ont été menées pour aborder les défis techniques liés au fonctionnement, au contrôle et à la topologie des MMCs.L'une des applications les plus importantes des MMCs se trouve dans les systèmes connectés au réseau. Ces convertisseurs offrent l'avantage de réduire les harmoniques de courant et de tension sans avoir besoin de composants passifs encombrants. De plus, les MMCs se révèlent fiables grâce à leur structure, qui leur permet de continuer à fonctionner même en cas de défaillance d'un ou plusieurs interrupteurs de puissance. Cependant, leur contrôle est complexe en raison du grand nombre de configurations de commutation, nécessitant des algorithmes de contrôle sophistiqués. Cette thèse se concentre sur la mise en œuvre de techniques de contrôle avancées pour améliorer les performances des MMCs. Elle vise à explorer les MMCs, à améliorer les structures de puissance existantes pour de nouvelles applications, et à accroître l'efficacité et la fiabilité grâce à des techniques de conception de contrôle et de modulation. La recherche explore également le contrôle des MMCs à l'aide de méthodes de contrôle prédictif modélisées (MPC) innovantes.Plus précisément, cette thèse comprend une série d'études abordant les défis et améliorant les performances des MMCs dans diverses applications. Le premier ensemble d'études porte sur une nouvelle conception de contrôle pour les MMCs, permettant le contrôle séparé des tensions des condensateurs dans les bras supérieur et inférieur. La recherche cible également les MMCs monophasés, permettant le contrôle en conditions de déséquilibre de puissance entre les bras supérieur et inférieur. De plus, l'étude traite des techniques de modulation et d'équilibrage de tension. Une nouvelle technique de modulation, la technique de modulation intégrale (IM), une avancée par rapport à la technique de modulation au niveau le plus proche (NLM), est introduite. Un nouvel algorithme de tri est également proposé pour améliorer l'efficacité des MMCs en réduisant le nombre de commutations par seconde pour les techniques de modulation existantes telles que NLM, IM et PWM.La recherche s'étend également à l'exploitation en tolérance aux pannes dans les MMCs triphasés, proposant une méthode qui injecte des courants circulants harmoniques de fréquence et de courant continu pour maintenir le fonctionnement en cas de défaillance d'un bras. Une contribution importante consiste à développer un algorithme de contrôle prédictif modélisé à ensemble fini à horizon unique (FCS-MPC) pour les MMCs monophasés, qui surpasse les méthodes traditionnelles en termes de commutations, de qualité des formes d'onde de courant de réseau et de variation des tensions des condensateurs. Six algorithmes FCS-MPC pour les MMCs sont introduits, offrant des perspectives sur leurs performances par rapport à un schéma de contrôle en cascade classique. La thèse se termine par une configuration innovante pour un convertisseur à ponts en H en cascade (CHB), conçu pour l'intégration des énergies renouvelables, démontrant son efficacité à travers des simulations.

The modular multilevel converter (MMC) has emerged as one of the most promising topologies for medium- to high-voltage, high-power applications. Recently, it has also shown potential for applications requiring low voltages, known as mini MMCs, which contain a smaller number of submodules per arm. Key features of MMCs include modularity, voltage and power scalability, fault tolerance, transformer-less operation, and high-quality output waveforms. In recent years, numerous research studies have been conducted to address the technical challenges associated with MMC operation, control, and topology.One of the most significant applications for MMCs is in grid-connected systems. These converters offer the advantage of reducing current and voltage harmonics without the need for bulky passive components. Moreover, MMCs demonstrate reliability due to their structure, which enables them to continue operating even if one or more power switches fail. However, their control is complex due to the numerous switching configurations, necessitating sophisticated control algorithms. This thesis focuses on implementing advanced control techniques to enhance MMC performance. It aims to explore MMCs, improve existing power structures for novel applications, and increase efficiency and reliability through control design and modulation techniques. The research also investigates controlling MMCs using novel Model Predictive Control methods.Specifically, this thesis comprises a series of investigations addressing challenges and enhancing MMC performance across various applications. The first set of studies focuses on a new control design for MMCs, allowing separate control of capacitor voltages in the upper and lower arms. The research also targets single-phase MMCs, enabling control under unbalanced power conditions between the upper and lower arms. Additionally, the study addresses modulation and voltage balancing techniques. A new modulation technique, the Integral Modulation Technique, an advancement of the Nearest Level Modulation Technique, is introduced. A novel sorting algorithm is also proposed to enhance MMC efficiency by reducing the number of commutations per second for existing modulation techniques such as NLM, IM, and PWM.The research extends to fault-tolerant operation in three-phase MMCs, proposing a method that injects DC and frequency harmonic circulating currents to sustain operation in the event of a faulty arm. A significant contribution involves developing a single-horizon finite control set model predictive control (FCS-MPC) algorithm for single-phase MMCs, which outperforms traditional methods in terms of commutations, grid current waveform quality, and capacitor voltage variance. Six FCS-MPC algorithms for MMCs are introduced, offering insights into their performance compared to a classic cascaded control scheme. The thesis concludes with a novel configuration for a Cascaded H-Bridge (CHB) converter designed for renewable energy integration, demonstrating effectiveness through simulations.In summary, this thesis presents a comprehensive exploration of MMCs, addressing control challenges, fault tolerance, modulation techniques, and innovative configurations for renewable energy integration. The findings contribute to advancing MMC technologies in various applications.