Contribution à la conversion AC/DC en Haute Tension

Contribution to High Voltage AC/DC conversion

• Auteur / Autrice : Pierre-Baptiste Steckler
• Direction : Xuefang Lin-Shi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie électrique
• Date : Soutenance le 22/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Électronique, électrotechnique, automatique (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : AMPERE - Génie Electrique, Electromagnétisme, Automatique, Microbiologie Environnementale et Applications (Rhône) - Ampère / AMPERE
• Jury : Président / Présidente : Jean-Yves Gauthier
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Xuefang Lin-Shi, Jean-Yves Gauthier, Maurice Fadel, Malek Ghanes, Jean-Paul Gaubert
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Maurice Fadel, Malek Ghanes

Mots clés

Mots clés contrôlés

Convertisseurs électriques

Mots clés libres

Génie électrique

Convertisseur de puissance

HVDC - High Voltage Direct Current

MMC - Modular Multilevel Converter

SBC - Series Bridge Converter

Commande non linéaire

Analyse structurelle

Platitude différentielle

Convertisseur modulaire

Performances électriques

Lois de commande

Electrical engineering

Power Converter

High Voltage Direct Current - HVDC

Modular Multilevel Converter - MMC

Series Bridge Converter - SBC

Nonlinear control

Structural analysis

Differential flatness

Modular converter

Electrical performance

Control laws

Résumé

Le courant alternatif (AC) se prêtant bien à la majorité des problématiques de production, de transport et de distribution de l'électricité, on comprend qu'il soit massivement utilisé. Cependant, depuis plus d'un siècle, les bénéfices du courant continu haute tension (HVDC, pour High Voltage Direct Current) pour les longues distances sont bien connus. Aux interfaces, des convertisseurs AC/DC sont requis, leur composition évoluant au fil des avancées technologiques. Après avoir présenté les spécificités du HVDC et les contraintes qu'il introduit sur les convertisseurs AC/DC, ce manuscrit se focalise sur trois topologies : Modular Multilevel Converter (MMC), Alternate Arm Converter (AAC) et Series Bridge Converter (SBC). Elles sont présentées, dimensionnées et analysées en détail, puis comparées de façon quantitative en utilisant des indicateurs de performance originaux. Il en ressort que le MMC et le SBC sont particulièrement intéressants. La méthode de commande conventionnelle du MMC est ensuite présentée et ses propriétés structurelles sont mises en évidence. Une première loi de commande originale est présentée, avec des performances similaires mais une complexité inférieure à l'état de l'art. La seconde est non linéaire, basée sur la théorie de la platitude différentielle, et permet un suivi de puissance très rapide tout en assurant la stabilité exponentielle globale du système. Ces lois de commande sont évaluées en simulation, avec un modèle moyen et un modèle détaillé intégrant 180 sous-modules par bras. La dernière partie concerne le SBC. Après l'avoir modélisé, des résultats concernant une analyse structurelle de la topologie sont présentés ainsi qu'une loi de commande originale. Le rôle fondamental du transformateur pour les convertisseurs à structure série comme le SBC est souligné. Enfin, les performances de la loi de commande proposée sont testées en simulation.

As Alternating Current (AC) is well suited for most of the production, transmission, and distribution applications, its massive use is easy to understand. However, for over a century, the benefits of High Voltage Direct Current (HVDC) for long-distance energy transmission are well known. To connect both, AC/DC converters are mandatory, whose nature evolves with technological progress. After the problematic induced by HVDC on AC/DC converters is presented, this manuscript is focused on three topologies: Modular Multilevel Converter (MMC), Alternate Arm Converter (AAC) and Series Bridge Converter (SBC). They are presented, sized, analyzed thoroughly, and compared in quantitative terms, using original key performance indicators. It appears that MMC and SBC are particularly promising. The conventional control method of the MMC is then presented, and its structural properties are highlighted. A first original control law is presented, with similar performances but less complexity than the state-of-the-art. A second control law, non-linear and based on differential flatness theory, is introduced. It allows a very fast power tracking response while ensuring the global exponential stability of the system. These control laws are tested in simulation, using an average model and a detailed model with 180 sub-modules per arm. The last part is dedicated to the SBC. After a modeling step, some results regarding its structural analysis are presented, and an original control law is introduced. The essential role of the transformer for series converters like the SBC is highlighted. Finally, the performance of the proposed control law is assessed in simulation.