Les énergies renouvelables, notamment le solaire et l'éolien, sont au cœur de la transition vers un système énergétique moins intensif en carbone et plus durable. Au cours des deux dernières décennies, on a assisté à une augmentation significative de la puissance photovoltaïque (PV) installée dans les nouvelles centrales solaires. Cette augmentation de la puissance a également conduit à l'augmentation de la tension du bus continu jusqu'à 1500V (la limite entre la BT et MT en DC). Il convient de noter que l'intégration au réseau de sources d'énergie distribuées telles que les systèmes PV accompagnés de systèmes de stockage de l'énergie à base de batteries (BESS), tant à l'échelle des services publics comme au niveau résidentiel et industriel, gagne en importance.
Parallèlement, selon les prévisions, la sphère mondiale de données devrait passer de 33 zettaoctets (ZB, 1021 octets, un trillion de giga-octets) en 2018 à 175 ZB en 2025. En raison du tsunami de données, la numérisation, les réseaux sans fil à haut-débit, les nouvelles technologies à forte intensité de données et la demande croissante de cloud-computing ont conduit au développement des Data-Center, qui sont devenus une industrie à forte intensité d'électricité. Ainsi, plusieurs études ont estimé qu'entre 2025 et 2050, l'industrie des TIC pourrait représenter jusqu’à 20 % de la consommation mondiale d'électricité.
L'augmentation de la puissance installée des Data-Center et des centrales solaires implique des convertisseurs de grande puissance (MW ou plus) connectés en parallèle. L'augmentation de la tension pour le PV et le stockage d'énergie est un fort défi pour réduire le niveau de courant dans les dispositifs afin d'obtenir des systèmes plus compacts, car aujourd'hui, avec les solutions actuelles, les objectifs de rendement, coût et de densité de puissance ne sont pas atteints. Par conséquent, de nouveaux systèmes électroniques de puissance à haut rendement et les stratégies de contrôle associées sont nécessaires pour rendre cette transition possible.
Cette thèse s’inscrit dans l’étude et la conception d’une nouvelle famille de topologies de convertisseurs multiniveaux triphasés à haut rendement, dite « Multiplexed », pour des applications UPS, Stockage d’énergie et Onduleur solaire. Le cas étudié, prévoit un convertisseur avec un bus DC haute tension avec une plage de variation de tension de 900VDC à 1500VDC, connecté à un réseau ou une charge triphasée de tension américaine (480VAC/60Hz) ou européenne (400VAC/50Hz), et une puissance bidirectionnelle allant de quelques dizaines de kW à 100kW.
Tout d'abord, nous allons expliquer la structure générale des topologies multiplexées. Fondamentalement, la structure est composée d'un étage hacheur (constitué par deux convertisseurs DC-DC symétriques) connecté à un étage DC-AC triphasé. Il existe de nombreuses variantes en fonction des topologies choisies pour chaque étape de conversion. Dans une seconde partie, nous présenterons les variantes retenues comme solution aux applications étudiées. Nous préciserons également, l'approche adoptée pour le dimensionnement de ces solutions, en tenant compte des éléments actifs (semi-conducteurs) et des éléments passifs. Nous présenterons, les résultats de rendement obtenus via simulation. Nous préciserons le principe de commande associé à cette nouvelle gamme de topologies. En effet, une de principales particularités de ces structures est que les deux étages, hacheur et onduleur, sont connectés sans filtre intermédiaire ce qu’implique que l’onduleur doit redécouper la tension qui a déjà été découpé par l’étage hacheur. La stratégie de modulation PWM qui a été développé à cet effet sera ensuite présenté et détaillé. Enfin, sur la base des modèles et des résultats obtenus dans les sections précédentes, nous montrerons la réalisation des prototypes de 100kW construits afin de valider l'architecture et la stratégie de contrôle proposée autour du concept 'Multiplexed'.
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Renewable energy, including solar and wind, is at the heart of the transition to a less carbon intensive and more sustainable energy system. Over the past two decades, there has been a significant increase in photovoltaic (PV) power installed in new solar power plants. This increase in power has also led to an increase in DC bus voltage up to 1500V (the limit between LV and MV in DC). It is worth noting that grid integration of distributed energy sources such as PV systems with battery based energy storage systems (BESS), both utility-scale and residential and industrial, is gaining importance.
At the same time, the global data sphere is projected to grow from 33 zettabytes (ZB, 1021 bytes, one trillion gigabytes) in 2018 to 175 ZB in 2025. Due to the data tsunami, digitization, high-speed wireless networks, new data-intensive technologies, and the growing demand for cloud-computing have led to the development of data centers, which have become an electricity intensive industry. For example, several studies have estimated that between 2025 and 2050, the ICT industry could account for up to 20% of global electricity consumption.
The increase in installed power of data centers and solar power plants implies high power converters (MW or more) connected in parallel. The increase in voltage for PV and energy storage is a strong challenge to reduce the level of current in the devices in order to obtain more compact systems, because today, with the current solutions, the objectives of efficiency, cost and power density are not met. Therefore, new high-efficiency power electronic systems and associated control strategies are needed to make this transition possible.
This thesis is part of the study and design of a new family of high efficiency three phase multilevel converter topologies, called Multiplexed, intended for UPS, Energy Storage and Solar Inverter applications. The case studied, foresees a converter with a high voltage DC bus with a voltage variation range from 900VDC to 1500VDC, connected to a grid or a three-phase load of American (480VAC/60Hz) or European (400VAC/50Hz) voltage, and a bidirectional power ranging from a few tens of kW to 100kW.
First, we will explain the general structure of multiplexed topologies. Basically, the structure is composed of a chopper stage (consisting of two symmetrical DC-DC converters) connected to a three phase DC-AC inverter stage. There are many variants depending on the topologies chosen for each conversion stage. In a second part, we will present the selected variants as a solution to the studied applications. We will also specify, the approach adopted for the dimensioning of these solutions, by considering the active elements (semiconductors) and the passive elements. We will present the performance results obtained via simulation. We will specify the control principle associated with this new range of topologies. Indeed, one of the main features of these structures is that the two stages, chopper and inverter, are connected without intermediate filter which implies that the inverter must re-switch the voltage that has already been switched by the chopper stage. The PWM modulation strategy that has been developed for this purpose will then be presented and detailed. Finally, based on the models and results obtained in the previous sections, we will show the realization of the 100kW prototypes built in order to validate the architecture and the control strategy proposed around the 'Multiplexed' concept.
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