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ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC THÈSE PRÉSENTÉE À L’ÉCOLE

ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE UNIVERSITÉ DU QUÉBEC THÈSE PRÉSENTÉE À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE COMME EXIGENCE PARTIELLE À L’OBTENTION DU DOCTORAT EN GÉNIE Ph. D. PAR Youssef OUNEJJAR CONVERTISSEUR ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE MULTINIVEAUX ET À FAIBLE RÉPERCUSSION SUR LE RÉSEAU ÉLECTRIQUE MONTRÉAL, LE 31 JANVIER 2011 © Tous droits réservés, Youssef Ounejjar, 2011 PRÉSENTATION DU JURY CETTE THÈSE A ÉTÉ ÉVALUÉE PAR UN JURY COMPOSÉ DE : Kamal Al-Haddad, directeur de thèse Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure Saad Maarouf, président du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure Ambrish Chandra, membre du jury Département de génie électrique à l’École de technologie supérieure Sheldon Williamson, examinateur externe Department of Electrical & Computer Engineering, Concordia University Ahmed Cheriti, examinateur externe Université du Québec à Trois-Rivières ELLE A FAIT L’OBJET D’UNE SOUTENANCE DEVANT JURY ET PUBLIC LE 21 JANVIER 2011 À L’ÉCOLE DE TECHNOLOGIE SUPÉRIEURE REMERCIEMENTS Je tiens à exprimer mes remerciements les plus sincères à monsieur Kamal Al-Haddad, mon directeur de thèse, pour son soutien moral, scientifique, technique et financier sans lequel ce travail n’aurait pu aboutir. Ses encouragements et sa confiance me comblent et j’en suis très reconnaissant. Ma gratitude et ma reconnaissance vont aussi à toute ma famille pour son aide et sa patience tout au long de ces années que j’ai passées au doctorat. Je tiens aussi à exprimer mes remerciements au président et membres du jury pour avoir accepter juger ce travail. CONVERTISSEUR ÉLECTRONIQUE DE PUISSANCE MULTINIVEAUX ET À FAIBLE RÉPERCUSSION SUR LE RÉSEAU ÉLECTRIQUE Youssef OUNEJJAR RÉSUMÉ Une nouvelle topologie de conversion de l’énergie électrique à cellules en U empilées (PUC) est présentée dans cette dissertation. Cette topologie est très compétitive du fait qu’elle combine les multiples avantages des ses concurrentes. Elle est caractérisée par sa faible répercussion sur le réseau électrique, sa grande efficacité énergétique et par l’utilisation d’un nombre réduit de composants actifs et passifs. Se basant sur une modélisation moyenne des convertisseurs multiniveaux PUC, la technique de commande proposée permet d’avoir un courant de ligne presque parfaitement sinusoïdal avec une fréquence de modulation aussi basse que dix fois celle du réseau électrique. Les filtres peuvent être alors très réduits voir même évités ce qui résulte sur une grande efficacité énergétique et un faible coût d’installation. Une étude comparative très détaillée est performée afin de mettre en valeur le gain en coût des convertisseurs PUC par rapport à ceux des topologies existantes, comme par exemple celle à capacités flottantes (FC), à point neutre callé par des diodes (NPC) et à celle à onduleurs en cascade (OC). Un autre avantage réside dans le fait que les convertisseurs PUC ont une taille physique réduite ce qui optimise l’espace de l’installation. Une technique d’hystérésis à multibandes est aussi utilisée pour contrôler la topologie proposée comme il est décrit dans cette dissertation. En effet, des contrôleurs à hystérésis à six et à quatorze bandes sont conçus pour avoir un courant presque sinusoïdal, dans les deux modes onduleur et redresseur, et afin d’assurer un fonctionnement à facteur de puissance unitaire même variations brusques de la charge. Un convertisseur issu d’une combinaison des topologies PUC et NPC est aussi présenté. La technique de commande proposée a été conçue pour assurer la régulation et l’équilibrage des tensions de sortie même sous variations de la charge et pour respecter un fonctionnement à facteur de puissance unitaire. La topologie proposée a été vérifiée par simulations en utilisant l’environnement Matlab Simulink et l’outil Simpowersystems. La validation expérimentale a été performée par le biais de la plateforme dSpace DS1103 et de l’outil Matlab Real-Time Workshop (RTW). Mots-clés : Convertisseurs multiniveaux, modélisation, efficacité énergétique, harmoniques, hystérésis A MULTILEVEL POWER CONVERTER WITH REDUCED IMPCAT ON SUPPLY NETWORK Youssef OUNEJJAR ABSTRACT A new power conversion topology called PUC, as Packed U Cells, is presented in this dissertation. It is very competitive due to the combination of several advantages of concurrent topologies. It is characterized by a reduced impact on the utility supply, a good energetic efficiency and a small number of power switches and passive components. Based on an averaged modelling of the multilevel PUC converters, the proposed control technique allows a nearly sinusoidal line current with a modulating frequency as low as ten times the supply network one. Filters can then be smaller or even avoided which results on a high energetic efficiency and a reduced installation cost. A detailed comparative study is performed to highlight the cost saving of the PUC topology against existent ones like Flying Capacitors (FC), Neutral Point Clamped (NPC) and classic and hybrid cascaded H-bridges (OC) topologies. Moreover, PUC converters have small physical size which reduces cumbersome of the installation. An advanced multiband hysteresis technique is also used to control the proposed topology converters as it is detailed in the dissertation. In fact, a six and fourteen band hysteresis controller is presented to draw a nearly sinusoidal current, in both rectifier and inverter modes, and to insure a unity power factor operation even under load changes. A multilevel converter resulting from the combination of the PUC and NPC topology is also presented. The control technique is designed to allow balanced and regulated output voltages even under sudden load variations and a unity power factor operation. The proposed topology was verified by simulations using Matlab Simulink environnement and Simpowersystems toolbox. Experimental validation was performed using dSpace DS1103 kit and Matlab Real-Time Workshop (RTW) tool. Keywords: Multilevel converters, modeling, energetic efficiency, harmonics, hysteresis TABLE DES MATIÈRES Page INTRODUCTION .....................................................................................................................2 CHAPITRE 1 HISTORIQUE DES CONVERTISSEURS STATIQUES NON-POLLUANTS ET REVUE BIBLIOGRAPHIQUE ...........................3 1.1 Histoire des composants de l’électronique de puissance .............................................3 1.2 Générations de convertisseurs statiques non-polluants ...............................................4 1.2.1 Première génération ...................................................................................... 4 1.2.1.1 Convertisseur proposé par Bird ...................................................... 5 1.2.1.2 Convertisseur proposé par Ametani ............................................... 5 1.2.2 Deuxième génération .................................................................................... 6 1.2.2.1 Convertisseur proposé par Dixon ................................................... 7 1.2.2.2 Convertisseur proposé par Tou ....................................................... 8 1.2.2.3 Convertisseur proposé par Mohan .................................................. 9 1.2.2.4 Convertisseur proposé par Kim .................................................... 10 1.2.2.5 Convertisseur proposé par Salmon ............................................... 10 1.2.2.6 Convertisseur proposé par Daniel ................................................ 11 1.2.3 Troisième génération .................................................................................. 12 1.2.3.1 Convertisseurs à point neutre callé par des diodes ...................... 13 1.2.3.2 Convertisseurs à capacités flottantes ........................................... 15 1.2.3.3 Convertisseurs avec onduleurs monophasés en cascade .............. 16 1.2.3.4 Convertisseur VIENNA ............................................................... 17 1.3 Conclusion .................................................................................................................18 CHAPITRE 2 CONVERTISSEUR MULTINIVEAUX À POINT NEUTRE CALLÉ PAR DES DIODES .....................................................................................20 2.1 Modélisation du convertisseur NPC ..........................................................................20 2.2 Résultats de simulation ..............................................................................................24 2.2.1 Convertisseur à quatre niveaux................................................................... 24 2.2.2 Convertisseur à cinq niveaux ...................................................................... 27 2.3 Limites et handicapes du convertisseur NPC ............................................................29 CHAPITRE 3 TOPOLOGIE MULTINIVEAUX NON-POLLUANTE À CELLULES EN U EMPILÉES ........................................................................................32 3.1 Présentation de la topologie de conversion multiniveaux à cellules en U .................33 3.2 Convertisseur PUC à sept niveaux ............................................................................37 3.2.1 Fonctionnement et modes opératoires ........................................................ 37 3.2.2 Modulation proposée .................................................................................. 41 3.2.3 Mise en œuvre de l’onduleur PUC sans transformateurs à sept niveaux ... 43 3.2.3.1 Résultats de simulation ................................................................. 44 3.2.3.2 Validation expérimentale de l’onduleur PUC .............................. 47 3.3 Convertisseur PUC à quinze niveaux ........................................................................51 VII 3.3.1 Fonctionnement et modes opératoires ........................................................ 51 3.3.2 Résultats de simulation ............................................................................... 52 3.4 Conclusion .................................................................................................................56 CHAPITRE 4 ÉTUDE COMPARATIVE DE LA TOPOLOGIE PUC AVEC D’AUTRES TOPOLOGIES MULTINIVEAUX ........................................57 4.1 Comparaison de la topologie PUC avec la topologie à point neutre callé par des diodes (NPC) et la topologie à capacités flottantes (FC) ...........................................57 4.2 Comparaison de la topologie PUC avec la topologie à onduleurs en cascade ..........62 4.3 Comparaison avec des topologies proposées dans des brevets américains d’invention (US Patents) ............................................................................................66 4.4 Conclusion .................................................................................................................67 CHAPITRE 5 COMMANDE BASÉE SUR LA MODÉLISATION MOYENNE DES REDRESSEURS DE LA TOPOLOGIE PUC ............................................68 5.1 Redresseur PUC à sept niveaux .................................................................................68 5.1.1 Modélisation moyenne ............................................................................... 68 5.1.2 Résultats de simulation ............................................................................... 73 5.1.3 Validation expérimentale des résultats de simulation ................................ 77 5.2 Redresseur PUC à quinze niveaux .............................................................................80 5.2.1 Modélisation moyenne ............................................................................... 80 5.2.2 Résultats de simulation ............................................................................... 84 5.3 Conclusion .................................................................................................................88 CHAPITRE 6 COMMANDE DES CONVERTISSEURS DE LA TOPOLOGIE PUC BASÉE SUR LA TECHNIQUE D’HYSTÉRÉSIS MULTIBANDES .......89 6.1 Convertisseur à sept niveaux .....................................................................................89 6.1.1 Fonctionnement en onduleur ...................................................................... 89 6.1.2 Fonctionnement en redresseur .................................................................... 96 6.1.2.1 Présentation de la technique à hystérésis proposée ...................... 96 6.1.2.2 Résultats de simulation ................................................................. 99 6.2 Convertisseur à quinze niveaux ...............................................................................103 6.2.1 Fonctionnement en onduleur sans transformateurs .................................. 103 6.2.2 Fonctionnement en redresseur .................................................................. 109 6.3 Conclusion ...............................................................................................................115 CHAPITRE 7 NOUVEAU CONVERTISSEUR MULTINIVEAUX TRIPHASÉ BASÉ SUR LA COMBINAISON DES TOPOLOGIES PUC ET NPC ...116 7.1 Opérations du convertisseur proposé .......................................................................116 7.2 Modélisation et commande du convertisseur proposé .............................................121 7.3 Résultats de simulation ............................................................................................126 7.4 Conclusion ...............................................................................................................132 CONCLUSIONS ET RECOMMANDATIONS....................................................................134 BIBLIOGRAPHIE .................................................................................................................136 LISTE DES TABLEAUX Page Tableau 3.1 Tensions des bus DC des différents convertisseurs de la topologie PUC ............................................................................................................35 Tableau 3.2 Table de commutation................................................................................38 Tableau 3.3 Table de correspondance ............................................................................43 Tableau 3.4 Paramètres de simulation ...........................................................................45 Tableau 3.5 Table de commutation de convertisseur quinze niveaux ...........................52 Tableau 4.1 Gain en niveaux de tension en fonction du nombre de capacités ..............65 Tableau 4.2 Comparaison de la topologie PUC avec des topologies uploads/s3/ ounejjar-youssef.pdf