Élimination Sélective Adaptative des Harmoniques et Stratégies Décentralisées de Contrôle des Convertisseurs Multiniveaux

Decentralized and adaptive selective harmonic elimination strategies for the control of multilevel converters

• Auteur / Autrice : Miguel Vivert
• Direction : Marc Cousineau, Rafael Diez Medina
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie Électrique
• Date : Soutenance le 14/05/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT en cotutelle avec Pontificia universidad javeriana (Bogotá)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Plasma et Conversion d'Energie (Toulouse ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Labouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Marc Cousineau, Rafael Diez Medina, Eric Labouré, Eduardo Mojica, Margarita Narducci, Fredy Ruiz, Diego Patiño, Philippe Ladoux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Eduardo Mojica

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électrotechnique

Newton, Méthode de

Gröbner, Bases de

Mots clés libres

Contrôle de Convertisseurs Multiniveaux

Élimination Sélective d'Harmoniques

Contrôle Décentralisé

Réponse Modale

Reconfiguration

Tolérance aux Pannes

Convertisseur Cascadé à Pont-Complet

Convertisseur à Condensateurs Flottants

Multilevel Converter Control

Selective Harmonic Elimination

Decentralized Control

Modal Response

Reconfiguration

Fault Tolerance

Cascaded Full-Bridge multilevel converter

FlyingCapacitor multilevel converter

Résumé

La recherche propose quelques améliorations de l’efficacité, de la robustesse, de l’équilibrage des cellules et de la capacité de tolérance aux pannes des convertisseurs multicellulaires. Ce travail est divis´e en deux ´étapes. La première étape propose une méthode de contrôle des convertisseurs multicellulaires pour équilibrer les variables de cellule, réguler la variable de sortie et donner au convertisseur la possibilité d’insérer ou de retirer des cellules pendant le fonctionnement. Le contrôleur est compos´e de trois sections, un contrôleur d’équilibrage, un régulateur global et un système de dérivation. Le contrôleur d’équilibrage compare la variable de cellule avec la variable de cellule des voisins et compense l’erreur avec un contrôleur classique. Le régulateur global est un contrôleur classique qui régule la variable de sortie avec la référence souhait´ee, et le système de bypass permet de sauter une cellule lorsque la cellule n’est pas disponible. Cette commande est implémentée dans le convertisseur multiniveau `a condensateur volant et un convertisseur multiniveau en pont complet en cascade. Dans le convertisseur multiniveau `a condensateur volant, l’objectif est d’équilibrer les tensions des cellules et de réguler le courant de sortie. Le contrôleur dissocie complètement les tensions de cellule et la variable de sortie, ce qui permet que les perturbations dans la variable de cellule ne perturbent pas la variable globale et vice-versa. Des tests de simulation et expérimentaux valident les performances de la théorie de la méthode de contrôle dans cette topologie. Dans le convertisseur multiniveau `a pont complet en cascade, l’objectif est d’équilibrer la tension de sortie des ponts complets et de réguler le courant de sortie du convertisseur. Dans ce cas, le contrôleur délie la variable de sortie des variables de cellule. En revanche, la variable de cellule dépend du contrevaleur d’équilibrage qui équilibre les variables de cellule et du régulateur global qui fixe la trajectoire des tensions de cellule. Les résultats développés en simulation et expérimentations valident la méthode de contrôle dans le convertisseur multiniveau à pont complet en cascade, ayant de bonnes réponses dans tous les tests. L’autre contribution de la recherche correspond `a une loi de contrôle pour tout onduleur multiniveau symétrique modulé par une stratégie d’élimination harmonique sélective. En règle générale, lorsqu’une stratégie de modulation `a basse fréquence est mise en œuvre, il n’y a pas de rétroaction pour ajuster les angles de commutation en raison de la complexité du processus mathématique. La conception de ce contrôleur est basée sur l’obtention d’un système d’équations polynomiales et sa conversion en sa base Groebner du système. Pour trouver les racines du système polynomial, obtenues par la conversion de base Groebner, une adaptation de la méthode Newton Raphson est implémentée, émulant un système dynamique virtuel. De plus, un contrôleur PI est implémenté pour compenser l’erreur entre les harmoniques détectées et la référence harmonique lorsqu’une perturbation est produite. Ce contrôleur est validé en simulation et expérimentation, perturbant certains paramètres, présentant de bonnes réponses dans tous les tests.

The research proposes some improvements in the efficiency, the robustness, the balancing of the cells and the fault tolerance ability of the Multicellular Converters. This work is divided into two stages. The fist stage proposes a control method for multicellular converters for balancing the cell variables, regulating the output variable and giving to the converter the ability to insert or remove cells during operation. The controller is composed of three sections, a balancing controller, a global regulator, and a bypass system. The balancing controller compares the cell variable with the cell variable of the neighbors and compensates for the error with a classical controller. The global regulator is a classical controller that regulates the output variable with the desired reference and the bypass system allows to skip a cell when the cell is not available. This control is implemented in the flying-capacitor multilevel converter and a cascaded full-bridge multilevel converter. In the flying-capacitor multilevel converter, the objective is to balances the cell voltages and to regulate the output current. The controller decouples the cell voltages and the output variable completely, allowing that disturbances in the cell variable do not disturb the global variable and vice vera. Simulation and experimental tests validate the performances of the theory of control method in this topology. In the cascaded fullbridge multilevel converter the objective is to balance the output voltage of the Full-Bridges and to regulate the output current of the converter. In this case, the controller unties the output variable from the cell variables, while the cell variable depends on the balancing controller that balances the cell variables and the global regulator that fixes the trajectory of the cell voltages. Results developed in simulation and experimentations validates the control method in the cascaded fullbridge multilevel converter, having good responses in all the tests. The other contribution of the research corresponds to a control law for any symmetric Multilevel inverter modulated by a Selective Harmonic Elimination strategy. Typically, when a low frequency modulation strategy is implemented, there is no feedback for adjusting the switching angles, because of the complexity of the math process. The design of this controller is based on the obtention of a polynomial equation system and its conversion to its Groebner Basis of the system. To find the roots of the polynomial system, obtained by the Groebner basis conversion, an adaptation of the Newton Raphson method is implemented, emulating a virtual dynamical system. Furthermore, a PI controller is implemented to compensate for the error between the sensed harmonics and the harmonic reference when a disturbance is produced. This controller is validated in simulation and experimentation, disturbing some parameter, presenting good responses in all the tests