Modeling, control, and implementation of compact multilevel converters for power quality applications

Résumé

Pour garantir à tous l'accès à une énergie abordable, fiable et moderne, il est d'une grande importance d'accroître la pénétration des énergies renouvelables dans le réseau électrique. Par conséquent, les défis liés à la qualité de l'énergie doivent être considérés avec prudence. Pour cette raison, l'objectif principal de cette thèse est de développer différentes topologies de convertisseurs multiniveaux à haute densité de puissance ainsi que les contrôleurs nécessaires pour améliorer la qualité de l'énergie dans les systèmes électriques de manière efficace et fiable. Tout d'abord, un compensateur synchrone statique basé sur des cellules U compactées modifiées à sept niveaux (MPUC7), soit (MPUC7-STATCOM), avec un contrôle prédictif (AFCS-MPC) est introduit. Par rapport à un compensateur synchrone statique basé sur un pont en H en cascade (CHB) à sept niveaux, la configuration proposée a un nombre de composants actifs/passifs exceptionnellement réduit, et le contrôle AFCS-MPC conçue par MPUC7- STATCOM est également simplifié. Le fonctionnement en mode Boost et la tension nominale plus basse des composants peuvent également être mentionnés comme qualités du MPUC7- STATCOM. De plus, les facteurs de pondération de l'AFCS-MPC proposé sont réglables automatiquement en temps réel. Deuxièmement, une nouvelle configuration d’un ressort électrique basée sur l'onduleur modifié à cinq niveaux (MPUC5) est introduite pour atténuer les harmoniques et les fluctuations de tension à divers points du réseau en présence de sources d’énergies renouvelables. De plus, le principe de fonctionnement, la procédure de conception et la configuration du ressort électrique basé sur MPUC5, soit (MPUC5-ES), sont présentés. Un contrôleur simple et efficace, sans boucle de contrôle supplémentaire pour réguler les tensions du bus CC, a également été conçu et appliqué au MPUC5-ES. Troisièmement, une configuration de ressort électrique à condensateur multiniveau à haute densité de puissance (ES-1) basée sur un convertisseur de cellules U à sept niveaux modifié (MPUC7), soit (MPUC7-ES1), est présentée. Une nouvelle stratégie de contrôle basée sur la commande prédictive (FCS-MPCC) est également proposée pour l'application MPUC7-ES1. Cet algorithme est conçu pour prédire le comportement du système pour tous les vecteurs de commutation possibles sur la base des modèles discrets de MPUC7-ES1 qui est développé pour la première fois. Par rapport aux méthodes de contrôle linéaire ES-1 conventionnelles, la stratégie proposée présente des avantages clés, notamment la prise en compte des modèles dynamiques du convertisseur ES-1, elle ne nécessite pas de modulateur et possède une fréquence de commutation inférieure. Quatrièmement, afin de fournir de l'énergie aux charges sensibles avec un niveau de fiabilité et de qualité amélioré, une topologie compacte à ressort électrique à batterie (ES-2), fondée sur l'onduleur Packed E-Cell (PEC) et sur sa stratégie de contrôle basée sur un réseau de neurones artificiels (RNA), est introduite. Du point de vue de la fiabilité, l'ES-2 basé sur le PEC (PEC-ES2) a la capacité de fonctionner instantanément de neuf à cinq niveaux en cas de défaut sur l’un des commutateurs bidirectionnels. En ce qui concerne la qualité de l’énergie, par rapport aux topologies ES-2 à demi-pont ou à pont complet, pour le PEC-ES2 la tension des commutateurs est diminuée de moitié, le contenu harmonique est inférieur dans le courant et la tension de sortie, la fréquence de commutation est considérablement plus faible, des applications de puissance plus élevée sont possibles, etc. Le contrôleur intelligent proposé basé sur un RNA peut également régler et stabiliser indépendamment à la fois la tension du réseau et le facteur de puissance de la charge réactive avec des performances dynamiques améliorées. Les opérations en régime permanent et dynamique du ressort électrique multiniveau compact introduit et des topologies STATCOM et les techniques de contrôle proposées sont également illustrées par des simulations approfondies et des résultats expérimentaux.

Date	13 déc. 2021
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Ambrish Chandra (Directeur(-trice))