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Etude de la Commande et de l'Observation d'une Nouvelle Structure de Conversion d'Energie de type SMC (Convertisseur Multicellulaire Superposé)

Lienhardt, Anne-Marie (2006) Etude de la Commande et de l'Observation d'une Nouvelle Structure de Conversion d'Energie de type SMC (Convertisseur Multicellulaire Superposé). (Control and Observation of a New SMC-type Power Conversion Structure (Stacked Multicell Converter).)

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Abstract

Ce manuscrit apporte une contribution à la commande et à l'observation du convertisseur multicellulaire superposé (SMC). Cette nouvelle structure de conversion d'énergie, brevetée en 2001, présente des caractéristiques très intéressantes qui lui confèrent un intérêt certain pour les applications industrielles de forte puissance. Les présents travaux ont pour objet principal d'améliorer le fonctionnement des convertisseurs SMC et de montrer leur compétitivité pour ce domaine d'application. Cet enjeu est atteint de deux manières différentes mais complémentaires : en positionnant le SMC dans le domaine basse tension/forte puissance, une gamme de tension réduite par rapport à son domaine de prédilection ; en développant des techniques d'observation des tensions internes de la structure, afin de réduire son coût et d'assurer son fonctionnement optimal et sécurisé. La première partie de ce mémoire est consacrée à la présentation du fonctionnement, de la commande et des propriétés associées aux principales structures multiniveaux. Il s'agit de montrer l'intérêt que représente la topologie SMC dans les systèmes de conversion de puissance vis-à-vis des autres convertisseurs de cette famille. Nous effectuons ensuite une étude comparative des pertes, performances et coûts des topologies d'onduleurs 2 et 3 niveaux à base d'IGBT pour une application basse tension/forte puissance. L'enjeu consiste à légitimer l'utilisation du SMC à ce niveau de tension par rapport aux topologies classiques et multiniveaux concurrentes. La deuxième partie de ce manuscrit est dédiée à l'observation fine en temps réel des tensions internes de la structure SMC. Le contrôle actif de ces dernières revêt en effet un caractère important, car il conditionne la survie du convertisseur en garantissant une répartition équilibrée des contraintes en tension sur les semi-conducteurs de puissance. Cet équilibrage actif nécessite la connaissance de ces grandeurs à l'échelle de la période de découpage. La suppression des capteurs différentiels nécessaires permettrait donc de réduire de manière significative le coût global de ces structures dans le cadre d'applications industrielles. Nous présentons ainsi trois méthodes d'estimation : un reconstructeur de tension, une structure d'observation basée sur une simulation numérique en temps réel du système associée à une mesure de tension et un observateur à modes glissants. Ces techniques sont toutes validées par simulation sur des structures multicellulaires superposées à 3 cellules de commutation. L'observateur à modes glissants est également validé expérimentalement pour un onduleur SMC 7 niveaux triphasé 15kVA. Son implantation est réalisée à l'aide d'une carte numérique associant un DSP et un FPGA. ABSTRACT : This PhD Thesis deals with the control and the observation of Stacked Multicell Converters (SMC). Developed and validated within the LEEI at the beginning of years 2000, the SMC topology benefits from outstanding dynamic performances that dedicates it to medium voltage and high power applications. This manuscript tends to optimise the operation of this particular converter and to confirm its competitiveness with respect to other multilevel structures. This objective is achieved by different but complementary issues: legitimating the SMC for low voltage and high power applications and observing the flying capacitor voltages of the converter so as to reduce the topology cost and guarantee its safe and optimal operation. The first part of this thesis details the operation, the control strategy and the properties of the main multilevel topologies, in order to underline the SMC advantages for power conversion systems. A comparative study of the losses, performances and costs of IGBT-based 2 and 3-level topologies is then carried out for a particular low voltage and high power application. The main objective is to legitimate the use of the SMC converter even for this voltage range, compared to other classical and multilevel competitive structures. The second part is dedicated to the real-time observation of the SMC flying capacitor voltages. This topology indeed relies on flying capacitors so as to equally share the voltage constraint on several power switches. Balancing those internal voltages is a major issue, since it determines the lifetime of the converter. Removing the differential sensors required by the active control would result in a significant reduction of the topology cost for industrial applications. Three estimation methods are therefore introduced: a voltage reconstruction, a digital real time simulation of the converter combined with a voltage measurement and a sliding mode observer. Those techniques are validated by simulation for a 7-level Stacked Multicell Converter. The sliding mode observer is also confirmed experimentally with our 15kVA three-phase 7-level SMC prototype. Its implementation is realised using a digital board that combines a DSP and a FPGA.

Department or laboratory:Laboratoire d'Electrotechnique et d'Electronique Industrielle - LEEI (Toulouse, France)
Directeur de thèse:Gateau, Guillaume and Meynard, Thierry
Uncontrolled Keywords:Electronique de puissance - Estimation numérique temps réel - Conversion statique forte puissance - Observateur à modes glissants - Convertisseur multicellulaire superposé - Implantation numérique - Evaluation des pertes – DSP/FPGA - Equilibrage actif des tensions internes. KEYWORDS : Power electronics - Digital real-time estimation - High power static conversion - Sliding mode observer - Stacked multicell converter - Digital implementation - Loss estimation – DSP/FPGA - Active control of the flying capacitor voltages
Subjects:Electrical engineering
Deposited On:20 April 2007

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