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 coté 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 tel 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 MOSFET SiC 3,3 kV. Cette topologie de conversion directe, associée à composants semi-conducteurs 3,3 kV permet d'augmenter la tension AC interne aux centrales PV de réduire des coûts et certaines infrastructures tel 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 prédimensionnement, prenant en compte les pertes totales 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 (3, 5 et 7 niveaux) modulable, plus performant, nécessitant un filtrage moindre et plus adaptée 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 est donc portée au développement et à l’optimisation de la stratégie de modulation vectorielle (space vector).
Des démonstrateurs sont réalisés pour trois topologies de CSI, dont deux versions multiniveaux. Ces prototypes répondent à plusieurs objectifs. Premièrement, ils démontrent la faisabilité matérielle de cette architecture innovante. Deuxièmement, les mesures de rendement réalisées permettent la comparaison entre ces trois alternatives et évaluent également leurs performances parmi les onduleurs PV utilisant une architecture plus commune. 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 PBBS utilisés dans le cadre de production d'énergie renouvelable, en particulier, les centrales PV. |
With the ever more rapid development of photovoltaic (PV) power plants, conversion solutions such as three-phase inverters (DC-AC conversion) to supply grids are becoming more diverse. However, the constraints on the entire PV conversion chain remain strong: adaptation to production, high efficiency (> 99%), reliability, reduced costs, etc. Current developments and improved efficiencies are leading to higher DC and AC voltages.
With the continued development of silicon carbide (SiC) semiconductors, especially for a voltage rating of 3.3 kV (or higher), the new conversion possibilities are to be taken into consideration. The usual voltages of the PV strings (1500 VDC) and the internal grid of the power plants (800 VAC) will be exceeded in the next architectures of PV power plants. In addition to more conventional architectures based on the combination of a step-up chopper (DC-DC) and a voltage inverter (VSI) (DC-AC), it is possible to use single conversion stage topologies such as the Current Source Inverter (CSI). Some studies have already focused on a two-level CSI architecture.
The aim of this thesis work is to study the CSI for a new 1500 VDC - 1400 VAC conversion called medium voltage (MV) using 3.3 kV SiC MOSFETs. This direct conversion topology, associated with 3.3 kV semiconductor components, allows to increase the internal AC voltage of the PV power plants, to reduce costs and some infrastructures such as the low-frequency transformer connecting the PV power plant to the 20 kV grid. The proposed architecture is a multilevel CSI, making the design, sizing and control much more complex than previously studied CSI.
In order to reduce the conduction losses, the main drawback of the two-level CSI topology, the current inverter studied is formed by a switching cell driven in synchronous rectification mode. The performance of the inverter is evaluated experimentally and integrated into a sizing tool, taking into account the total losses and the cooling system.
The second particularity concerns the interleaving (or paralleling) of several switch matrices in order to propose a multilevel converter (2, 5 and 7 levels) that is modular, more efficient, requiring less filtering and is better adapted to the conversion of PV production. The design of the passive components at the input of the conversion chain, which is usually a negative point of the two-level CSI, is made complex by their strong dependence on the modulation strategy used. Particular attention is therefore paid to the development and optimization of the space vector modulation strategy.
Demonstrators are being built for three CSI topologies, including two multilevel versions. These prototypes serve several purposes. First, they demonstrate the hardware feasibility of this innovative architecture. Secondly, the efficiency measurements performed allow the comparison between these three alternatives and evaluate their performance among PV inverters using a more common architecture.
Finally, these experimental tests open the way to a more adaptive operation of multilevel CSIs, with the use of a sequential Power Building Block Shedding (PBBS) used in the context of renewable energy production, in particular, PV plants.
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