Évaluation de l'alimentation en courant continu pour une distribution d'énergie efficace dans les appareils domestiques

Evaluation of DC supply protection for efficient energy delivery in low voltage applications

• Auteur / Autrice : Thi Thuong Huyen Ma
• Direction : Hamed Yahoui
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 05/04/2018
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Claude Bernard (Lyon ; 1971-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône) - Ampère, Département Méthodes pour l'Ingénierie des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Manuela Sechilariu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guo Neng Lu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Manuela Sechilariu, Xuan Minh Phan

Mots clés

Mots clés contrôlés

Courts-circuits

Électrotechnique

Disjoncteurs électriques

Mots clés libres

Disjoncteur DC

Microgrid DC

JFET SiC normally-on

Protection en microgrid DC

Robustesse du JFET SiC

Protection contre les courts-circuits

DC circuit breaker

DC microgrid

Normally-on SiC JFET

Protection in DC microgrid

Robustness of SiC JFET

Short circuit protection

Résumé

Actuellement, il y a une baisse du prix des ressources énergétiques distribuées, en particulier l'énergie solaire photovoltaïque, conduisant à la croissance significative de leur capacité d'installation dans de nombreux pays. D'autre part, les politiques encourageant l'efficacité énergétique ont favorisé le développement de charges DC dans les zones domestiques, telles que l'éclairage LED, les ordinateurs,, les téléphones, les téléviseurs, les moteurs DC efficaces et les véhicules électriques. Grace à ce changement, le système de distribution de microgrid DC devient plus attractive que le système de distribution à courant alternatif traditionnel. Les avantages principaux du microgrid DC sont l'efficacité énergétique plus élevée, plus facile à intégrer avec les sources d'énergie distribuées et le système de stockage. Alors que de nombreuses recherches se concentrent sur les stratégies de contrôle et la gestion de l'énergie dans le microgrid DC, sa protection reçoit une attention insuffisante et un manque de réglementation et d'expériences. La protection dans les réseaux DC est plus difficile que dans le réseau AC en raison de l'arc continu, de la valeur plus élevée du courant de courtcircuit et du taux de défaut de montée. En outre, dans les réseaux distribués à courant continu sont composés de nombreux dispositifs de commutation électroniques et semi-conducteurs, qui ne supportent le courant de défaut que quelques dizaines de microsecondes. Les disjoncteurs mécaniques, qui ont un temps de réponse de quelques dizaines de millisecondes, ne semblent pas satisfaire aux exigences de sécurité du microréseau à courant continu. L'absence d'un dispositif de protection efficace constitue un obstacle au développement du microgrid DC dans le système distribué. Cette thèse propose un disjoncteur DC auto-alimenté à courant continu utilisant normalement JFET SiC, qui offre un excellent dispositif de protection pour les microgrids DC grâce à son temps de réponse rapide et ses faibles pertes à l'état passant. La conception du disjoncteur DC à semi-conducteurs vise à répondre à deux objectifs: temps de réponse rapide et fiabilité. Les spécifications conçues et les énergies critiques qui entraînent la destruction du disjoncteur sont identifiées sur la base des résultats mesurés d'un JFET populaire dans le commerce. Un pilote de protection très rapide et fiable basé sur une topologie à convertisseur flyback avant est utilisé pour générer une tension négative suffisante pour tourner et maintenir le JFET SiC. Le convertisseur sera activé chaque fois que le disjoncteur détecte des défauts de court-circuit en détectant la tension de drain-source de JFET et crée une tension négative s'applique à la porte de JFET. Pour éviter une défaillance de la porte par surtension au niveau de la grille du JFET, la tension de sortie du convertisseur de retour vers l'avant est régulée à l'aide de la mesure coté primaire. Les résultats expérimentaux sur le prototype du disjoncteur DC ont validé les principes de fonctionnement proposés et ont confirmé que le disjoncteur DC à semi-conducteurs proposé peut interrompre le défaut en 3 μs. D'un autre côté, un modèle du JFET normalement activé dans l'environnement Matlab/Simulink est construit pour étudier les comportements du SSCB pendant une durée de court-circuit. L'accord entre la simulation et les résultats expérimentaux confirment que ce modèle JFET peut être utilisé pour simuler le fonctionnement d'un disjoncteur DC et dans l'étude du fonctionnement du microgrid DC pendant le processus de défaut et de compensation

Currently, there is a drop in the price of distributed energy resources, especially solar PVs, which leads to a significant growth of the installed capacities in many countries. On the other hand, policies encouraging energy efficiency have promoted the development of DC loads in domestic areas, such as LEDs lighting, computers, telephones, televisions, efficient DC motors and electric vehicles. Corresponding to these changes in sources and loads, DC microgrid distribution system becomes more attractive than the traditional AC distribution system. The main advantages of the DC microgrid are higher energy efficiency, easier in integrating with distributed energy sources and storage systems. While many studies concentrate on the control strategies and energy management in the DC microgrid, the protection still receives inadequate attention and lack of regulations and experiences. Protection in DC grids is more complex than AC grids due to the continuous arc, higher short circuit current value and fault rate of rising. Furthermore, the DC distributed grids are composed of many electronic and semiconductor switching devices, which only sustain the fault currents of some tens of microseconds. Mechanical circuit breakers, which have a response time in tens of milliseconds, seem not to meet the safety requirement of DC microgrids. The lack of effective protection devices is a barrier to the development of DC microgrids in the distributed systems. This thesis proposes a self-power solid state DC circuit breaker using normally-on SiC JFET, which offers a great protection device for DC microgrids due to its fast response time and low on-state losses. The design of the solid state DC circuit breaker aims to meet two objectives: fast response time and high reliability. The designed specifications and critical energies that result in the destruction of the circuit breaker are identified on the basis of the experiments of a commercial normally-on JFET. In addition, a very fast and reliable protection driver based on a forward-flyback converter topology is employed to generate a sufficient negative voltage to turn and hold off the SiC JFET. The converter will be activated whenever short-circuit faults are detected by sensing the drain-source voltage, then creating a negative voltage applied to the gate of JFET. To avoid gate failure by overvoltage at the gate of JFET, the output voltage of the forward-flyback converter is regulated using Primary Side Sensing technique. Experimental results validated the working principle of the proposed solid state DC circuit breaker with fault clearing time less than 3 μs. Additionally, a model of the normally-on JFET in Matlab/Simulink environment is built for exploring the behaviors of the solid-state DC circuit breaker during short-circuit faults. The agreement between the simulation and experimental results confirms that this JFET model can be appropriately used for the investigation of solid state DC circuit breaker operations and DC microgrids in general during fault evens and clearing fault processes