La soutenance de thèse de Louis-Alexis GOMEZ, intitulée « Onduleur de Courant Multiniveaux Moyenne Tension pour Applications Photovoltaïques », aura lieu le 18 Juillet 2023, à 14h00 en salle des thèses de l’ENSEEIHT (C002).
Cette thèse a été encadrée au LAPLACE par Guillaume GATEAU et Sébastien SANCHEZ, en partenariat avec l’Institut National de l’Énergie Solaire (CEA-INES).
Jury :
| Xuefang LIN-SHI | Rapporteure | Professeure – Laboratoire Ampère – INSA Lyon |
| Christian SCHAEFFER | Rapporteur | Professeur – G2Elab – Grenoble INP |
| Eric LABOURE | Examinateur | Professeur des Universités – GeePs – CentraleSupelec |
| Guillaume GATEAU | Directeur de thèse | Professeur des Universités – Laplace – INP de Toulouse |
| Sébastien SANCHEZ | Co-encadrant de thèse | Enseignant-Chercheur – Icam, site de Toulouse & Laplace – INP de Toulouse |
| Luis G. ALVES RODRIGUES | Co-encadrant de thèse | Ingénieur de recherche – CEA-INES |
Résumé:
Avec le développement toujours plus rapide des centrales photovoltaïques (PV), les solutions de conversion de type onduleurs triphasés (conversion DC-AC) permettant d’alimenter les réseaux se diversifient. Les contraintes sur l’ensemble de la chaîne de conversion PV restent cependant fortes : adaptation à la production, rendement élevé (> 99%), fiabilité, coûts réduits, etc.
Les évolutions actuelles et l’amélioration des rendements amènent à élever les tensions côté DC et AC. Avec la poursuite de l’essor de semi-conducteurs en carbure de silicium (SiC) et notamment ceux de calibre en tension de 3, 3 kV (ou supérieurs), de nouvelles possibilités de conversion sont envisageables. Les tensions usuelles des chaînes PV (1500 VDC) et des réseaux internes aux centrales (800 VAC) seront dépassées dans les prochaines architectures de centrales PV.
Au-delà des évolutions des architectures plus conventionnelles basées sur l’association d’un hacheur élévateur (DC-DC) et d’un onduleur de tension (VSI) (DC-AC), il est possible d’utiliser des topologies à un seul étage de conversion telles que l’onduleur de courant (CSI). Certaines études ont déjà porté sur cette architecture du CSI 3 niveaux à simple matrice d’interrupteurs.
Ces travaux de thèse ont pour but d’étudier le CSI pour une nouvelle conversion 1500 VDC – 1400 VAC dite moyenne tension (MV) avec l’utilisation de MOSFETs SiC 3, 3 kV . Cette topologie de conversion directe, associée à des semi-conducteurs 3, 3 kV permet d’augmenter la tension AC interne aux centrales PV, de réduire des coûts et les dimensions de certaines infrastructures telles que le transformateur basse fréquence reliant la centrale PV au réseau 20 kV . L’architecture proposée est un CSI multiniveaux, rendant la conception, le dimensionnement ainsi que le contrôle-commande bien plus complexes que les CSI déjà étudiés. Afin de réduire les pertes par conduction, principal inconvénient de la topologie CSI 3 niveaux, l’onduleur de courant étudié est formé d’une cellule de commutation pilotée en redressement synchrone. Les performances du convertisseur sont évaluées expérimentalement et intégrées à un outil de pré-dimensionnement, prenant en compte les pertes semi-conducteurs et le système de refroidissement.
La seconde spécificité concerne l’entrelacement (ou mise en parallèle) de plusieurs matrices d’interrupteurs afin de proposer un convertisseur multiniveaux (5 et 7 niveaux) modulable, plus performant, nécessitant un filtrage moindre et plus adapté à la conversion de la production PV. L’étude et le dimensionnement des composants passifs en entrée de la chaîne de conversion, point usuellement négatif du CSI 3 niveaux, sont rendus complexes de par leur forte dépendance vis-à-vis de la stratégie de modulation utilisée.
Une attention particulière sera donc portée dans le développement et l’optimisation de la stratégie de modulation vectorielle (space vector). Un démonstrateur est réalisé via la mise en parallèle de blocs de puissance ou Power Building Block (PBB). Ce prototype répond à plusieurs objectifs. Premièrement, il démontre la faisabilité matérielle de cette architecture innovante. Deuxièmement, il valide la stratégie de modulation sélectionnée. Enfin, ces essais expérimentaux ouvrent la réflexion sur un fonctionnement plus adaptatif des CSI multiniveaux, à travers une activation séquentielle des blocs de puissance ou Power Building Block Shedding (PBBS) utilisés dans le cadre de production d’énergie renouvelable, en particulier, les centrales PV.
