Recherche Avancée

Thèse soutenue

Convertisseurs de puissance avec stockage d'énergie intégré pour réseaux haute tension à courant continu

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Auteur / Autrice : Florian Errigo
Direction : Pascal Venet, Ali Sari
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Génie électrique
Date : Soutenance le 30/09/2020
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-....)
Laboratoire : Laboratoire AMPERE (Ecully, Rhône)
Jury : Président / Présidente : Marie-Cécile Péra
Examinateurs / Examinatrices : Pascal Venet, Ali Sari, Philippe Le Moigne, Corinne Alonso, Seddik Bacha, François Gruson, Marie-Ange Raulet
Rapporteurs / Rapporteuses : Philippe Le Moigne, Corinne Alonso

Résumé

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L’introduction de ressources intermittentes, géographiquement dispersées, et l’augmentation des puissances sur les lignes de transmission ont imposé de nouvelles contraintes sur les réseaux de transport à courant alternatif. Ces problématiques ont exposé les limites des technologies existantes et le besoin de renforcer les infrastructures des systèmes à très haute tension. Dans cette perspective, les réseaux à courant continu haute tension (HVDC) sont une alternative technique et économique attrayante pour transporter des puissances plus importantes sur de plus longues distances. Cette situation est rendue possible grâce aux progrès de l’électronique de puissance, qui ont conduit à l’essor des convertisseurs modulaires multi-niveaux (MMC). En comparaison avec les topologies conventionnelles, leur structure n’utilise pas la mise en série complexe de composants de puissance pour tenir des tensions élevées. À l’inverse, elle repose sur la mise en série de convertisseurs élémentaires avec un stockage de faible capacité, appelés sous-modules (SM), fonctionnant à des tensions beaucoup plus faibles. En distribuant l’énergie stockée, un nouveau degré de liberté est obtenu en termes de contrôle. Cette caractéristique peut être renforcée, si une solution de stockage de l’énergie électrique y est associée pour décupler la capacité énergétique du convertisseur. Il pourra ainsi répondre aux besoins de services système exprimés par les opérateurs réseaux. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’intégration de systèmes de stockage de l’énergie au sein de convertisseurs modulaires multi-niveaux en vue de répondre aux challenges de résilience et de fiabilité des réseaux d’interconnexion et de transport de l’énergie électrique. Dans un premier temps, une introduction du contexte et un état de l’art sont présentés avec pour objectif de cerner le cadre dans lequel s’inscrivent ces travaux de recherche. Ensuite, nous exposons la modélisation et la commande de convertisseurs modulaires multi-niveaux. L’usage du degré de liberté offert par la commandabilité de l’énergie interne pour fournir des services système grâce à l’intégration de systèmes de stockage de l’énergie est étudié. De même, nous analysons l’opportunité de réaliser une distribution partielle des éléments de stockage de l’énergie à l’intérieur du convertisseur ainsi que leur influence sur les éléments dimensionnants. La seconde partie aborde les problématiques d’intégration des éléments de stockage de l’énergie, ici des supercondensateurs, directement au sein d’un sous-module. Pour ce faire, une vue d’ensemble des solutions d’interface émergentes de la littérature est donnée. Puis, une méthodologie de dimensionnement, permettant de comparer les structures retenues, a été développée. Par la suite, une topologie innovante, adaptée pour ces applications à haute tension et économiquement avantageuse, est présentée. Enfin, son modèle est développé tout comme les lois de commande associées pour garantir une gestion énergétique correcte avec un minimum d’interaction avec la commande globale du convertisseur modulaire multi-niveaux. Des simulations et une validation expérimentale valident les stratégies proposées. Finalement, la fiabilité et la disponibilité d’une telle solution est évaluée. Une étude sur la dégradation des performances des éléments de stockage de l’énergie, selon un profil de mission donné, au cours de la période d’exploitation du convertisseur a été réalisée en premier lieu. Dans la perspective de définir la disponibilité d’une fonction de stockage de l’énergie au fil du temps ainsi que la stratégie de maintenance à adopter, des simulations de Monte Carlo, permettant d’estimer l’espérance d’une variable aléatoire en générant un grand nombre d’échantillons selon une loi de probabilité donnée, ont été effectuées. Elles ont permis de tenir compte de la haute modularité du convertisseur et des dispersions entre les milliers d’éléments de stockage de l’énergie le composant