Méthodes de commande par allocation de convertisseurs statiques polyphasés, multi-niveaux : de la modélisation à la mise en oeuvre temps-réel
- Bouarfa, Abdelkader (2017)
Thèse de doctorat
- Type de document
- Thèse de doctorat
- Diffusion
- Accès libre
- Titre
- Méthodes de commande par allocation de convertisseurs statiques polyphasés, multi-niveaux : de la modélisation à la mise en oeuvre temps-réel
- Auteur
- Bouarfa, Abdelkader
- Date de soutenance
- 2017-11-22
- Structure de recherche
- Laboratoire PLAsma et Conversion d'Energie (LAPLACE), UMR 5213
- Discipline
- Génie Electrique
- Mots-clés en français
- Convertisseurs statiques
- Allocation de commandes
- Modulation de largeur d'impulsion
- Algorithme du simplexe
- Onduleurs triphasés
- Onduleurs multi-niveaux
- Résumé en français
- Dans nos travaux, nous nous intéressons à la commande des convertisseurs statiques à grand nombre d'interrupteurs. Le développement des topologies multi-niveaux multi-bras a ouvert l'accès aux domaines de la forte puissance et de la haute qualité harmonique. Outre cette montée en puissance, la commande spéciale de ces dispositifs permet de conférer au convertisseur des fonctionnalités avancées de plus en plus nécessaires, comme la possibilité de filtrage actif des harmoniques, la tolérance aux pannes, la gestion du réactif, les liaisons HVDC, etc. Toutefois, un plus grand nombre d'interrupteurs au sein d'une même structure de conversion se traduit par une forte croissance du nombre de variables de commande, des degrés de liberté et par une explosion combinatoire du nombre de configurations possibles. La synthèse de lois de commande suivant les approches traditionnellement conçues pour les topologies classiques, comme les méthodes de modulation vectorielle fondées sur la représentation géométrique du convertisseur, en devient rapidement fastidieuse pour les nouvelles topologies plus complexes. De plus, les interrupteurs présents en surnombre apportent des redondances fortes qui ne sont pas nécessairement exploitées, ou du moins arbitrairement. Nous proposons une nouvelle approche de commande qui se veut moins dépendante du nombre d'interrupteurs, et qui s'affranchit des limitations induites par les méthodes de modulation géométrique. Notre approche consiste dans un premier temps à formuler de manière algébrique des problèmes de commande qui sont généralement sous-déterminés, témoignant de la présence de redondances ou degrés de liberté, et contraints, car tenant compte des limitations propres aux rapports cycliques. De manière intéressante, ces problèmes offrent une similarité avec les problèmes dits d'allocation de commande rencontrés en aéronautique, en marine ou en robotique. Dans un second temps, dans le but de fournir à chaque période de découpage une solution de commande unique et optimisée, nous concevons de nouvelles méthodes d'allocation pour les convertisseurs statiques fondées sur l'optimisation numérique en ligne à partir de techniques d'optimisation linéaire. En conséquence, les rapports cycliques sont automatiquement optimisés pour satisfaire aux références de tension tout en respectant les saturations et en exploitant les redondances disponibles selon l'état actuel du convertisseur. Nous mettons en lumière les propriétés naturellement offertes par nos méthodes. Notamment, toutes nos solutions de modulation étendent de manière maximale la zone de linéarité du convertisseur. Nous proposons des méthodes d'allocation pour la commande en tension ou en courant de topologies variées : l'onduleur quatre bras deux niveaux, l'onduleur multicellulaire à condensateurs flottants, l'onduleur modulaire multi-niveaux. Concernant les convertisseurs multicellulaires, nos méthodes d'allocation utilisent automatiquement les degrés de liberté disponible pour fournir un équilibrage actif très rapide des tensions de condensateurs flottants. Aussi, grâce à la formulation algébrique des contraintes de commande, nos algorithmes peuvent prendre en compte un défaut sur un interrupteur pour conférer au convertisseur une propriété de tolérance aux fautes du point de vue de la commande. Nous validons les résultats obtenus lors de la phase d'analyse théorique par une phase de vérification temps réel de nos algorithmes. Nous proposons une réalisation matérielle de notre méthode fondée sur l'algorithme du simplexe sur une puce FPGA type Altera Stratix IV, puis nous vérifions la validité de notre conception du circuit de résolution par approche HIL : nous faisons communiquer le circuit de résolution avec le logiciel MATLAB pour envoyer des références de tension puis recevoir les solutions optimales fournies par la carte ainsi que le temps de calcul correspondant. D'une part, les résultats de vérification matérielle HIL ont été obtenus pour l'onduleur quatre bras deux niveaux et sont en parfait accord avec la théorie : l'algorithme réalisé fonctionne correctement et les solutions renvoyées sont optimales. D'autre part, notre première version nécessite un temps de calcul pour chaque période de commande bien inférieur à 100 microsecondes, ce qui permet de fonctionner à des fréquences de modulation autour de la dizaine de kilohertz.
- Résumé en anglais
- In our works, we are interested in control of high-switch-count power converters. The development of multileg, multilevel converters has opened the access to high power and high harmonic quality. The special control of these devices brings to the converter advanced abilities that are more and more requested nowadays, like active harmonic filtering, fault tolerance, active and reactive power transfer, High Voltage Direct Current (HVDC) links, etc. However, a higher number of switches in a conversion structure leads to a higher number of control variables, as well as more redundancies and a combinatorial explosion of the number of possible configurations. The development of control laws resulting from approaches traditionally designed for classical topologies, as for space vector modulation methods, becomes harder for new, much complex topologies. Moreover, the too many available switches bring strong control redundancies that are not necessarily exploited, at least arbitrarily. We propose a new control approach that is expected to be less dependent on the number of switches, and that does not suffer from limitations proper to geometrical modulation methods. Firstly, our approach consists in the algebraic formulation of control problems that are generally under-determined, highlighting the presence of redundancies and degrees of freedom, and constrained, because control limitations are taken into account. Interestingly, a connection can be highlighted to the so-called control allocation problem in flight control, robotics, or marine applications. Secondly, in order to compute a unique and optimized control solution at each switching period, we develop new control allocation methods for power converters based on on-line numerical optimization using linear programming techniques. Consequently, duty cycles are automatically optimized to satisfy voltage references while respecting saturations and exploiting available redundancies depending on the state of the converter. We highlight the properties naturally offered by our methods. In particular, all modulation solutions yield a maximized extension of the linearity range of the converter. We propose control allocation methods for the voltage or current control of many topologies: the four-leg two-level inverter, the multicellular flying capacitor inverter, the modular multilevel inverter. About multicellular inverters, our allocation methods available degrees of freedom are automatically used by the allocation methods, resulting in the fast active-balancing of the capacitor voltages. Also, as duty cycle constraints are taken into account, our algorithms can handle a fault occurring on a switch in order to bring a fault tolerant ability to the converter from the point of the view of the control. We validate the results of the theoretical analysis experimentally. We propose a implemen- tation of our control method based on the simplex algorithm on an Altera Stratix IV Field Programmable Gate Array (FPGA) chip. Then we verify the validity of our design of the solving circuit following the hardware-in-the-loop approach : the hardware communicates with MATLAB(r) , which sends voltage references and receive optimal solutions and resulting computation times. Experimental results were obtained for the four-leg two-level inverter and are in accordance with the theory: the implementation is valid and correct optimal solutions are obtained. The computation time per control period is much less than 100 microseconds, leading to switching frequencies around 10 kilohertz.
- Numéro national de thèse
- 2017TOU30261
- Date de publication
- 2018-04-18T07:39:19
Citation bibliographique
Bouarfa, Abdelkader (2017), Méthodes de commande par allocation de convertisseurs statiques polyphasés, multi-niveaux : de la modélisation à la mise en oeuvre temps-réel [Thèse de doctorat]