Convertisseur « cluster » pour réseaux DC dans le bâtiment

par Soleiman Galeshi Mooziraji (Soleiman)

Projet de thèse en Genie electrique

Sous la direction de Yves Lembeye et de David Frey.

Thèses en préparation à Grenoble Alpes , dans le cadre de École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble) , en partenariat avec Laboratoire de Génie Electrique (laboratoire) depuis le 01-12-2017 .


  • Résumé

    Contexte La thématique de la distribution en courant continu (DC) se développe très fortement dans les applications électriques, qu'il s'agisse des aspects transports sou très haute tension (HVDC), mais également au niveau de la distribution terminale. A ce niveau, la distribution DC présente plusieurs avantages, qui sont un moindre dimensionnement des câbles car seule la puissance active est acheminée et une intégration plus aisée des systèmes de production locale (PV, Eolien) et des stockages (batteries) qui sont déjà en continu. La gestion d'un réseau DC nécessite tout de même la mise en œuvre de systèmes d'électronique de puissance afin de connecter les systèmes de production, de stockage, les consommateurs, mais également l'alimentation générale qui peut être en DC ou en AC suivant le réseau d'alimentation électrique disponible dans le quartier. Par ailleurs, la mise en place de convertisseurs unique pour chacune des fonctions pose le problème de leur taille, mais également de leur rendement si la puissance à fournir est loin de la puissance nominale (faible consommation, faible production des systèmes PV ou éoliens. Le but de cette thèse est de s'intéresser au développement d'un convertisseur « Cluster » communiquant de quelques kW permettant d'interconnecté, charges DC, réseau DC ou AC, stockage et production. En lieu et place d'un convertisseur unique de grande taille, ceux-ci seraient insérés en « grand nombre » en différents points du réseau électriques et échangeraient les données vers une supervision centrale et possiblement entre eux pour chercher le point de fonctionnement optimum de toute l'installation. Sujet de thèse L'objectif de cette thèse est le développement de ce convertisseur d'interfaçage générique permettant d'interconnecter un réseau d'alimentation, un réseau de consommateur, un stockage et une production. L'objectif est d'isoler ces différentes entrées afin d'adapter plus facilement des niveaux de tensions différents, de faciliter la gestion des mises à la terre et la sécurité de l'installation, mais également de découpler les flux de puissance pour pouvoir trouver leur répartition optimale. La structure de base se reposera sur le principe d'une structure de type Dual Active Bridge (DAB), mais disposera elle d'au moins 4 entrées. Le but de la thèse sera d'explorer les possibilités de pilotage de ce type de structures qui présentent de nombreuses grandeurs de commande. Notamment, déterminer les meilleures combinaisons de commande permettant de trouver des points de rendements maximums. Il sera ici intéressant de s'appuyer sur les travaux de thèse de Maximim BLANC et de Damian SAL Y ROSAS qui ont travaillé sur des structures de type « Triple Active Bridge » et qui soutiendront courant 2017. Afin d'optimiser le système, il sera nécessaire de modéliser de manière physique le comportement du convertisseur, les composants le constituant et d'inclure les possibilités offertes par la commande afin d'obtenir la solution la plus optimale. Ce travail s'appuiera sur les possibilités offertes par les logiciels d'optimisation développés au laboratoire. Enfin, il sera intéressant d'étudier les possibilités d'optimisation au niveau système, c'est-à-dire dans réseau électrique et regardant les possibilités offertes par l'insertion de ces convertisseurs en lieu et place de convertisseurs unitaires placés dans le réseau en termes de rendement énergétique global et de dimensionnement du réseau. En outre, l'aspect communication avec la supervision du réseau afin d'optimiser le fonctionnement global de celui-ci pourra être abordé.

  • Titre traduit

    "Cluster" converter for DC networks in Buildings


  • Résumé

    The DC distribution in buildings presents several advantages which consist of a reduced sizing of the cables and an easier integration of the local production (PV, wind turbine,…) and storage systems (batteries,…) which are already in DC. Anyway the DC network management needs the implementation of power electronics systems in order to connect the production and storage systems, the consumers, but also the general distribution network which can be in DC or in AC according to the available networks. The classical way based on a unique converter for each of the functions can lead to the necessity of bulky systems with a low efficiency if they are working far from their nominal point (low consumption, low PV or wind power systems production). The development of smaller energy management systems will allow a better integration in the buildings, an optimized power management and will be a key point of the future Internet of Energy. Subject of the PhD thesis The purpose of this PhD thesis is to develop a « Cluster » converter which will communicate with the global energy management of the building and with the capability to interconnect DC or AC network, loads, storage and production systems. Instead of a big sized unique converter, several components of some kW will be inserted at different nodes of the electrical network and will exchange data with the central supervision and possibly between them in order to look for an optimized operating point of the whole installation. The basic structure is based on the principle of a Dual Active Bridge (DAB) type structure, but it will have at least 4 inputs. The goal is to take advantage of the multiple driving possibilities of this type of structures to find the optimal power transfer and the maximum efficiency. In order to optimize the system, it will be necessary to model the converter behavior and its constituting components in a physical manner (especially the magnetic ones) and to include the offered possibilities by the control in order to obtain the most optimum solution. This study will be based on the possibilities offered by the optimization software developed in the G2Elab laboratory. Finally, it will be interesting to study the optimization possibilities at a system level, namely in an electrical network and looking at the possibilities offered by the implementation of these converters instead of a unique converter in terms of global energy efficiency, network dimensioning and final user constraints (location, volume, cooling, safety,…). Moreover, the communication aspects with the network supervision in order to optimize the overall functioning may be discussed.