Le travail développé au cours de ces années correspond à une étude des stratégies de contrôle pour les convertisseurs multicellulaires. Le travail est divisé en deux sections : contrôleur décentralisé pour les convertisseurs multicellules et boucle fermée pour les onduleurs symétriques à plusieurs niveaux modulés par une stratégie de modulation à basse fréquence
Dans la première partie de la thèse, une structure de contrôle décentralisée est proposée pour beaucoup convertisseurs multicellules, équilibrant une des variables de cellule, régulant une variable de sortie et pouvant insérer et supprimer des cellules en cours de fonctionnement. Cette fonctionnalité permet au convertisseur d'être tolérant aux pannes. Afin de concevoir cette commande, un modèle généralisé de convertisseur multicell est introduit, modélisant la variable de cellule à équilibrer et la variable de sortie à réguler. La structure de contrôle est composée de la somme du régulateur de sortie et du contrôleur d’équilibrage avec le système de dérivation. Le calcul de ce contrôleur dans le modèle généralisé montre des effets de découplage entre les variables de cellule et la variable de sortie, minimisant dans certains cas les perturbations d'une variable à l'autre.
La structure de contrôle proposée est validée dans deux convertisseurs. Le premier correspond à un Fying Cap connecté à une charge d'inductance résistive, où les variables à équilibrer sont la tension de la cellule définie comme la différence entre les condensateurs de tension adjacents. La variable de sortie à réguler est le courant de sortie du convertisseur. Sur la base de la réponse modale du modèle de variable de cellule, les gains du contrôleur d’équilibrage sont conçus. Les calculs mathématiques démontrent un découplage complet entre la tension de la cellule et le courant de sortie. Toute la théorie appliquée à la casquette volante est validée par des tests de simulation et des tests expérimentaux, en accord avec la théorie proposée.
La deuxième topologie où la structure de contrôle est testée correspond à un convertisseur à plusieurs niveaux à pont complet, avec une charge résistive-inductive, où la variable de cellule est la tension de sortie de chaque pont complet et la variable de sortie à réguler est le courant de sortie. Comme dans le cas précédent, les gains du contrôleur d’équilibrage sont conçus sur la base de la réponse modale du modèle de variable de cellule, et l’approche mathématique montre quelques simplifications et découplages entre la variable de cellule et la variable de sortie. La théorie mise en œuvre dans cette topologie est également validée par des tests de simulation et expérimentaux, en concordance avec la théorie développée.
La deuxième partie de ce travail, qui correspond à la boucle fermée d'un onduleur Cascade Full Bridge avec stratégie de modulation à basse fréquence, consiste à concevoir une loi de commande qui ajuste les angles de commutation pour une stratégie de modulation à harmonique sélective lorsque des perturbations des tensions d'entrée produit. Le travail montre le modèle statique des harmoniques en fonction des angles de commutation. Ensuite, une variable de changement est proposée, convertissant l'équation du système trigonométrique en une équation du système polynomiale. Ensuite, cette équation système polynomiale est convertie en base de Grobner, en découplant la variable des équations système, mais en convertissant en équations polynomiales système implicites. Afin de résoudre ces équations système et de concevoir le contrôleur, l'équation système polynomiale implicite statique est convertie en une équation système dynamique explicite à l'aide d'une adaptation de la méthode de Newton Rapson. En utilisant ce système dynamique, un contrôleur PI est proposé. Toute la théorie est validée par des tests de simulation et des tests expérimentaux perturbant les tensions d’entrée, branchant et débranchant une charge de 200W.
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The work developed in these years corresponds to a study of control strategies for multicell converters. The work is divided into two sections: Decentralized controller for multicell converters and close loop for symmetric multilevel inverter modulated by low frequency modulation strategy
In the first section of the thesis, a decentralized control structure is proposed for a wide range of multicell converters, balancing one of the cell variables, regulating an output variable and having the ability to insert and to remove cells during operation. This feature permits the converter to be fault-tolerant and the possibility to increase the nominal power while the converter is working. In order to design this control, a generalized model of a multicell converter is introduced, modeling the cell variable to be balanced and the output variable to be regulated. The control structure is composed of the sum of the output regulator and the balancing controller with the bypass system. The computation of this controller in the generalized model shows some uncoupling effects between the cell variables and the output variable, minimizing in some cases the disturbances from one variable to the other.
The proposed control structure is validated in two different converters. The first one corresponds to a flying cap converter connected to a Resistive-Inductance load, where the variables to be balanced are the cell voltage defined as the difference between the adjacent voltage capacitors. The output variable to be regulated is the output current of the converter. Based on the modal response of the cell variable model, the gains of the balancing controller are designed. The mathematical computations prove a complete decoupling between cell voltage and output current. All the theory applied for the flying cap is validated in simulation and experimental tests, that are in concordance with the proposed theory.
The second topology where the control structure is tested corresponds to a Full Bridge Multilevel Converter, with a resistive-inductive load, where the cell variable is the output voltage of each full bridge and the output variable to be regulated is the output current. As in the previous case, the gains of the balancing controller are designed based on the modal response of the cell variable model, and the mathematic approach shows some simplifications and decoupling between the cell variable and the output variable. The theory implemented in this topology is also validated with simulation and experimental tests, having concordance with the theory developed.
The second section of this work, corresponding to the close loop of a Cascade Full Bridge Inverter with low frequency modulation strategy, consists of the design of a control law that adjusts the switching angles for a selective harmonic modulation strategy when disturbances in the input voltages are produced. The work shows the static model of the harmonics according to the switching angles. Then a change variable is proposed, converting the trigonometric system equation into a polynomial system equation. Then, this polynomial system equation is converted to its Grobner Basis, decoupling the variable of the system equations, but converting into implicit system polynomial equations. In order to solve this system equations and to design the controller, the static implicit polynomial system equation is converted into an explicit dynamic system equation using an adaptation of the Newton Rapson Method. Using this dynamic system, a PI controller is proposed. All the theory is validated in simulation and experimental tests disturbing the input voltages, plugging and unplugging a 200 W load. |