Academic literature on the topic 'Onduleur Multi-Niveaux'

Afin de pouvoir améliorer le rendement délivré à la charge, autrement dit la qualité de la tension de sortie des moyennes qui ont été utilisées parmi ces derniers: l'utilisation d'un onduleur multi-niveau au lieu de l'onduleur à deux niveaux, une seconde solution basée sur le choix de commande d'un moteur. Dans notre article, on a choisi la technique de commande par mode glissant d'ordre supérieure, cette commande conserve les mêmes performances de robustesse et de stabilité données par le mode glissant classique tout en réduisant le broutement.

Les onduleurs multi niveaux asymétriques triphasés, étudiés sont constitués de la mise en série d’onduleurs partiels par phase. La commande de ces derniers par la stratégie de l’élimination des ’harmoniques fait appel à la résolution des systèmes d’équations non linéaires pour obtenir les angles d’amorçage des composants électroniques, et l’implémentation pratique de cette stratégie nécessite une très grande capacité mémoire. Dans cet article, nous proposons une approche mathématique exigeant moins de calculs et d’implémentation facile est souhaitée. Cette approche est réalisée par les réseaux de neurones artificiels (RNA). Ces onduleurs sont utilisés pour l’entraînement de la machine asynchrone double étoile (MASDE). Les résultats de simulations obtenus ont montré un comportement très satisfaisant de la machine.

Cet article consiste à étudier la commande des onduleurs multi-niveaux asymétrique appliquée à la conduite d’une machine asynchrone triphasée. On a étudié ce type d’onduleurs parce qu’il est susceptible de générer des tensions quasi sinusoïdale ayant un nombre de niveau impair largement qui peuvent atteindre entre 2K+1 et 3K niveaux (K: cellules à pont complet). L’utilisation de la structure multi-niveaux cascade afin d’améliorer beaucoup plus la qualité de tension de sortie sans augmenter à priori le nombre de cellules d’onduleurs à pont complet ainsi que cette structure est un intérêt certain car elle contient un nombre réduit d’interrupteurs en comparaison avec les autres. Pour l’entraînement à la vitesse variable pour cette machine, la commande vectorielle avec des correcteurs classiques est appliquée ensuite. Les résultats de simulation confirment la validité et l’efficacité de ce type d’onduleur.

Dans les réseaux de distribution électrique et les réseaux intelligents, l'adoption généralisée des composants électroniques de puissance pose divers défis en matière de qualité de l'énergie. L'intégration des sources d'énergie renouvelable aggrave ces défis en raison des fluctuations de tension, des écarts de fréquence et de la distorsion des formes d'onde inhérents à ces sources, dont les performances dépendent des conditions météorologiques. Cette thèse aborde ces défis à travers trois solutions visant à améliorer la qualité de l'énergie électrique dans les réseaux de distribution, en se focalisant sur l'intégration des systèmes photovoltaïques (PV) dans la troisième solution.La première solution introduit une Structure Multi-Niveaux Développée du Convertisseur AC/DC/AC. Elle vise à réguler l'amplitude de tension, à garantir une tension de sortie en escalier approchant une sinusoïde et à éliminer un large rang d'harmoniques, y compris les harmoniques prédominantes affectant les charges sensibles telles que les entraînements de moteurs asynchrones. Ce travail développe une nouvelle technique de modulation pour contrôler la partie DC/AC du convertisseur, configurée via un onduleur en pont en H asymétrique en cascade.La deuxième solution implique un Système Avancé de Contrôle Hybride pour le Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette solution améliore les performances du filtre actif parallèle, augmente sa fréquence de commutation apparente et réduit la taille de son filtre de couplage de sortie. Le contrôleur hybride, mis en œuvre à l'aide de réseaux de Petri (PN), assure un suivi de haute performance du courant de compensation, en plus de stabiliser, contrôler et équilibrer les tensions DC sur les entrées d'onduleur multi-niveaux. Une stabilité pratique des erreurs de tension continue est prouvée via le théorème de Lyapunov. Cette solution est explorée pour n modules en pont en H par phase, et les validations de mesure réelle et de simulation sont testées pour 2 et 3 modules dans un milieu industriel réel pour prouver son efficacité.La troisième solution présente une Structure PV connectée au réseau avec Filtre Actif Parallèle (SAF) basé sur un Onduleur Multi-Niveaux (MLI). Cette configuration améliore la qualité de l'énergie électrique et fournit de l'énergie renouvelable pour les charges et le réseau. Les entrées DC de l'onduleur multi-niveaux sont connectées directement aux sous-systèmes PV ou via des convertisseurs DC-DC. Des contrôleurs linéaires établissent la stratégie de contrôle du filtre actif parallèle basée sur (n) modules en pont H, comprenant l'injection de courant de compensation, la maximisation de la puissance produite par le système PV et la régulation des tensions DC sur les condensateurs. La modulation par largeur d'impulsion multi-porteuses assure une distribution équilibrée de l'énergie entre les modules. Des algorithmes de suivi du point de puissance maximale (MPPT), tels que Perturber et Observer (P&O), avec trois stratégies de contrôle comprenant le contrôleur proportionnel intégral, le rapport cyclique, et la commande prédictive (MPC), maximisent la génération d'énergie du sous-système PV. Le convertisseur DC-DC utilise des techniques de modulation PWM pour maintenir une fréquence de commutation constante.Les performances des trois solutions sont validées dans une usine textile souffrant d'impacts harmoniques sur la principale machine textile, représentant une charge sensible de 50 kVA, fournie par un entraînement de moteur asynchrone. Cet entraînement de moteur est sensible aux rangs prédominants du couple et des harmoniques de tension, nécessitant un contrôle approprié. Pour garantir des résultats fiables, des mesures sur site à l'aide d'appareils d'analyse de la qualité de l'énergie électrique sont collectées pour modéliser numériquement le réseau de l'usine. Les performances de chaque solution sont étudiées sur la charge sensible de cette usine textile
In the electrical distribution networks and smart grids, the widespread adoption of power electronics components among customer loads poses diverse challenges to power quality. The integration of renewable energy sources further exacerbates these challenges due to voltage fluctuations, frequency deviations, and waveform distortion inherent in these sources, significantly dependent on weather conditions. This thesis addresses these challenges through three distinct solutions for power quality improvement in distribution networks, focusing on integrating renewable energy sources, particularly photovoltaic (PV) systems, in the third solution.The first solution introduces a developed multi-level structure of an AC/DC/AC Converter. This solution aims to regulate voltage amplitude, ensure sinusoidal-like output stepping voltage, and mitigate a wide range of harmonics, including the predominant harmonics affecting sensitive loads such as asynchronous motor drives. To address these aspects, this work develops a novel modulation technique to control the DC/AC part of the converter, configured via an Asymmetrical Cascaded H-Bridge Inverter.The second solution involves an Advanced Hybrid Control System Developed for Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This solution improves the performance of the shunt active filter, raises its apparent switching frequency, and reduces the size of its output coupling filter. The hybrid controller, implemented using Petri Nets (PNs), ensures high-performance tracking of the compensating current, in addition to stabilizing, controlling, and balancing the DC voltages across the MLI inputs. The practical stability of the DC voltage errors is analytically proved via the Lyapunov theorem. This solution is explored in detail for n H-Bridge modules per phase, with real measurement and simulation validations evaluated for 2 and 3 H-Bridge modules per phase within a real industrial environment to prove the structure's effectiveness.The third solution presents a Grid-Connected PV Structure Incorporated with a Shunt Active Filter Based on a Multi-Level Inverter. This configuration enhances power quality and provides renewable energy for both loads and the grid. The DC inputs of the multi-level inverter are connected directly to PV subsystems or via DC-DC converters. Linear controllers are employed to establish the control strategy for the shunt active filter based on (n) H-bridge modules, including injecting compensating current, maximizing the produced power of the PV system, and regulating DC voltages across capacitors. Multi-carrier PWM modulation ensures balanced power distribution among the modules. Maximum Power Point Tracking (MPPT) algorithms, such as Perturb & Observe (P&O), with three control strategies including Proportional Integral, Duty-cycle, and Model Predictive Controller, are employed to maximize PV subsystem power generation. Additionally, the DC-DC converter utilizes PWM modulation techniques across all three control strategies to maintain a consistent switching frequency.The performance of the three aforementioned solutions is validated, for finite HB modules, within a textile factory suffering from harmonic impact on the main textile machine, which represents a sensitive load of 50 kVA, driven by an asynchronous motor. This motor drive is highly sensitive to predominant torque and voltage harmonics, requiring appropriate control of the fundamental output voltage amplitude and the phase and amplitude of the harmonic voltage components. This control system is particularly designed to regulate motor speed variation and mitigate undesired fluctuations caused by harmonic torques. To ensure reliable results, on-site measurements using power quality analyzer devices are collected to create a numerical model of the entire factory's network. Finally, the performance of each solution is investigated on the sensitive load operating within this textile factory

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
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

Le travail de cette thèse a consisté au développement d’une nouvelle modélisation d’un onduleur triphasé multi niveaux à commutations et à niveaux de tensions précalculés. Le but global est d'améliorer la qualité des tensions composées en sortie de l'onduleur, en annulant successivement le maximum d'harmoniques résiduels. Nous commençons par affecter les mêmes propriétés de symétries, d'un système de tensions triphasé sinusoïdal parfait, aux tensions composées en sortie de l'onduleur. Cela nous permet d'annuler tous les harmoniques paires et ceux de rangs multiples de trois. La modélisation est basée sur le développement en série de Fourier de la tension composée en sortie de l'onduleur. Le calcul des variables ajustables aboutit a un système d'équations non linéaire dont les inconnues sont les angles de commutations et les niveaux de tensions. Ce système non linéaire, a été résolu en utilisant la méthode du simplex. Afin de réduire le nombre d'interrupteurs nécessaires, une nouvelle topologie d'onduleur triphasé a été proposée. Finalement, les résultats ont été validés d'abord par simulation, puis expérimentalement en utilisant une plate forme composée d'un onduleur multi niveaux à IGBT et d'une carte de contrôle commande dSPACE
This work presents a novel switching angles and voltage levels determination method to cancel harmonics in the output of a three phased inverter. The objective is to optimize the number of successive cancelled harmonics for a given number of switching actions and of voltage levels. After the modelization, the voltage levels and the switching angles are drawn by solving a non linear equation system using the simplex method. Then a set of succeded rank harmonics are cancelled. This approach allows to reduce the THD rate and to increase the fundamental amplitude of the voltage in the inverter output. The number of cancelled harmonics depends on the number of voltage levels voltages and the number of switching angles. To reduce the number of power switches, we have proposed a new topology. All the results were validated by simulation and experimentally. The experimental validation has been done by using our new topology multilevel inverter, a dPACE card controlled by Matlab Simulink

Détection de défaut d'arcs intégrée dans un convertisseur intelligent contrôlé par FPGA pour les panneaux photovoltaïques. La mise au point de convertisseur intelligents intégrant des dispositifs de protection est une thématique que cherche à développer l'Institut Technologique de Morelia (Mexique) avec laquelle nous collaborons sur ce projet. L'objectif plus spécifique de ce travail repose sur la détection de défauts d'arc électrique en se basant sur le contrôle intelligent des onduleurs utilisés dans la gestion de l'énergie produite par des panneaux photovoltaïques. Depuis plusieurs années, le développement croissant des panneaux solaires photovoltaïques comme source d’énergie s’est imposé et la sécurité de ces dispositifs liée à la détection de défauts d’arcs électriques est devenu un enjeu majeur. L'approche que nous proposons dans ce travail est le développement d'une stratégie novatrice pour la surveillance et la prédiction de défaillance du réseau électrique constitué de panneaux solaires en présence de défauts d’arcs. Actuellement, la majorité des systèmes de détection comprennent des modules détecteurs disposés dans le circuit électrique à protéger dont la robustesse est loin d'être optimale. L'approche que nous proposons consiste à développer un dispositif de surveillance et de détection de défaut directement intégré dans l'onduleur intelligent. Le contrôle optimal de l'onduleur intelligent assurera une détection fiable de défaut d'arc sans déclenchement intempestif. Le dispositif comprendra également un système de coupure. La méthode de détection que nous privilégions sera basée sur l'analyse du courant et de la tension de ligne. Les algorithmes seront basés sur une analyse temps/fréquence des signatures courant et de tension suivie par une logique pertinente de décision de telle manière à minimiser le taux de fausses détections.Le noyau du convertisseur intelligent est constitué par un FPGA. Le parallélisme des traitements de données assurera le respect des contraintes temps réel. Dans le cadre du projet de thèse, la mise en œuvre, le test des algorithmes de détection et l’implémentation optimale afin de respecter les contraintes temps réel dans le FPGA sera mené dans le cadre d’une cotutelle de thèse entre l’institut technologique de Morelia et l’Université de Lorraine
In this research work, the development of a multilevel inverter for PV applications is presented. The PV inverter, has two stages one DC/DC converter and one DC/AC inverter, and is capable of generating an AC multilevel output of nine levels, it's a transformerless inverter and uses a reduced number of components compared to other topologies. The conception of a novel DC/DC converter is capable of generating two isolated DC voltage levels needed to feed the DC/AC stage. This DC/DC stage is developed in two variants, buck and boost, the _rst to perform the reduction of voltage when the DC bus is too high, and second to increase the voltage when the DC bus is too low to perform interconnection with the grid through the DC/AC inverter. This is achieved thanks to the parallel functioning of the developed topology, which make use of moderated duty cycles, that reduces the stress in the passive and switching components, reducing potential losses. The validation of the PV inverter is performed in simulation and experimental scenarios. In the other hand, the response of the inverter facing an arc fault in the DC bus is studied by performing a series of tests where the fault is generated in strategic points of the DC side, this is possible thanks to the design and construction of an arc fault generator based in the specifications of the UL1699B norm. During the tests is observed that with the apparition of an arc fault, there is a lost in the half-wave symmetry of the AC multilevel output voltage waveform, generating even harmonics which aren't present during normal operation, only when an arc fault is present in the DC system. The monitoring of even harmonics set the direction for developing the detection technique. Since the magnitude of even harmonics in the inverter is very low, the total even harmonic distortion is employed as a base for the detection technique presented in this thesis. The effectiveness of this method is verified with a series of tests performed with different loads