APPLICATION DES ONDULEURS MATRICIELS DANS LES PILES

2IWH 2007, 27-29 October 2007, Ghardaïa – Algeria
APPLICATION DES ONDULEURS MATRICIELS DANS LES PILES A
COMBUSTIBLE A HYDROGENE
Said OULD AMROUCHE
Division Energie Solaire Photovoltaique, Centre de Development des Energies Renouvelables.
CDER /Route de L’observatoire, B.P 62–16340, Bouzareah, Alger – Algerie.
E-mail [email protected]
ABSTRACT:
La pile à combustible est une source d’énergie pouvant être interconnectée avec le réseau électrique
conventionnel. Pour cela il est nécessaire de l’adapter pour une application optimale. C’est le rôle de
l’onduleur, cet article explore la possibilité de l’introduction nouvelles topologies dans le domaine des
piles à combustible à hydrogène. Dans ce but, la topologie de l’onduleur matriciel est présentée ainsi
quelques exemples de commutateurs bidirectionnels sont donnés. Ensuite un onduleur de courant de
type matriciel 2x3 est étudié.
MOTS CLES: Onduleur matriciel, Pile à combustible, réseau électrique.
1 Introduction
La pile à combustible transforme l’énergie chimique en énergie électrique de forme continue (DC).
D’un point de vue électrique, la pile à combustible est considérée comme étant une source de tension.
Il est nécessaire d’insérer un convertisseur DC/AC (onduleur) entre la pile à combustible et la charge.
Dans le cas où la charge est le réseau électrique triphasé, il est impératif de tenir compte de la
différence entre les valeurs des tensions d’une pile à combustible typique (200V) et le réseau
électrique triphasé (380V).
Une des solutions classiques consiste en l’utilisation d’un convertisseur de type boost ayant pour rôle
l’élévation de la tension continue délivrée par la pile à combustible. Ensuite un onduleur de tension est
chargé de transformer la tension de sortie du circuit boost en tension alternative.
Cet article étudie l’utilisation d’un onduleur de courant de type matriciel (2 x 3). Dans le but d’optimiser
le rendement de l’onduleur et par là le rendement du système à base de la pile à combustible, il est
nécessaire d’étudier les stratégies de commande de l’onduleur matriciel en vue de réduire les pertes
énergétiques.
2 Structure d’un onduleur matriciel
La topologie classique d’un onduleur matriciel 3x3 est présentée par la figure (1). Cette structure relie
directement trois phases à l’entrée avec phases à la sortie. Ce convertisseur nécessite neuf
interrupteurs bidirectionnels. Les convertisseurs matriciels offrent plusieurs avantages relativement
aux topologies traditionnelles, tels que l’élimination des éléments de stockage d’énergie réactive [1], la
possibilité de réinjecter de l’énergie dans le réseau, des courants d’entrée et sortie sinusoïdaux et la
possibilité d’ajuster le facteur de puissance de puissance [2].
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A
B
C
U
V
W
Figure 1. Topologie de l’onduleur matriciel
3 Interrupteurs bidirectionnels
Le convertisseur matriciel nécessite l’utilisation d’interrupteurs bidirectionnels ayant des capacités de
blocage dans les deux sens. Ce type de composant doit être construit à l’aide de composants discrets
tels que les transistors IGBT et les diodes rapides. Plusieurs configurations possibles existent qui
sont décrites ci-dessous.
3.1 Interrupteurs à pont de diodes
Cet interrupteur est basé sur un IGBT placé au centre d’un pont de diodes (figure 2). L’avantage de ce
commutateur est qu’un seul signal de commande par cellule est requis. Mais les pertes sont
relativement élevées, trois composants à la fois sont nécessaires pour assurer le passage du courant
dans un sens. Parmi les désavantages de ce commutateur, il y a l’absence de contrôle du sens de
courant et le fait que chaque cellule possède son propre potentiel au niveau de l’émetteur.
Figure 2. Interrupteur bidirectionnel à pont de diodes
3.2 Interrupteur à émetteur commun
Dans cette configuration (figure 3a), il est possible de contrôler le sens du courant. Deux composants
sont simultanément nécessaires pour assurer la conduction, les pertes sont réduites comparativement
à l’interrupteur à pont de diodes. Chaque cellule nécessite une alimentation indépendante.
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3.3 Interrupteur à collecteur commun
Les pertes de conduction sont les mêmes que pour la topologie à émetteur commun. Le
fonctionnement de cet interrupteur (figure 3b) est similaire à celui de la cellule à émetteur commun. La
différence réside dans l’alimentation des différentes cellules de commutation.
(a)
(b)
Figure 3. (a) Interrupteur bidirectionnel à émetteur commun, (b) à collecteur commun
4 Onduleur pour pile à combustible
La pile à combustible est considérée comme une source de tension. Dans le cas d’un système
connecté au réseau triphasé, il est nécessaire de conditionner l’énergie fournie par la cellule. Diverses
solutions existent. Cette section décrit une solution classique puis l’onduleur étudié.
4.1 Topologie classique
La solution classique (figure 4) consiste en l’utilisation d’un convertisseur DC/DC, élévateur de tension
puis d’un onduleur triphasé PWM.
Pile à
combustible
Convertisseur
DC/DC
Onduleur de
tension PWM
L1
U1
L2
U2
L3
U3
Figure 4. Interface classique d’une cellule à combustible avec le réseau
4.2 Onduleur matriciel
Dans la topologie étudiée (figure 5), la mise en série d’une inductance (Ls) avec la source de tension
(Us) permet l’utilisation d’un onduleur de courant [3] comme interface avec le réseau triphasé (U1, U2,
U3) sans avoir recours à un élévateur de tension.
Cette structure emploie un transistor IGBT et une diode par commutateur. Les pertes de conduction
sont donc réduites relativement aux interrupteurs qui ont trois éléments conducteurs.
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D11
Ls
D21
T11
T31
T21
Iph1
Us
D31
T12
Iph2
D12
Iph3
T32
T22
D22
U1
D32
U2
U3
N
Figure 5. Onduleur matriciel de courant connecté au réseau électrique
5 Résultats de simulations
La commande PWM de l’onduleur ainsi que l’étage de puissance triphasé à transistors IGBT est
simulé sous le logiciel PSIM. Les figures 6 et 7 montrent les courants parcourant les transistors T11 et
T12. Le courant de phase Iph1 correspondant à la source U1 est donné en figure 8. La décomposition
par les séries de Fourier est donnée par la figure 9. On note la présence de familles d’harmoniques de
rang impair principalement groupés autour des fréquences 2 kHz, 4 kHz, 6 kHz, 8 kHz, et 10kHz.
Figure 6. Courant dans le transistor T11
Figure 7. Courant dans le transistor T12
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Figure 8. Courant Iph1 dans phase 1
Figure 9. Contenu harmonique du courant Iph1
6 Conclusion
La possibilité de l’application de la topologie matricielle dans le domaine des piles à combustible est
étudiée. Il est nécessaire de poursuivre ce travail par l’élaboration d’une stratégie de commande qui
permettrait d’optimiser les pertes de conduction et de commutation. Cette commande devrait aussi
réduire le taux d’harmoniques.
Ces améliorations pouvant justifier la complexité de la commande et du nombre de semi conducteurs de puissance nécessaires. Ce travail pourra être aussi utile dans le domaine de
l’énergie solaire photovoltaïque.
Références :
[1] M. Venturini, « A new sine wave in sine wave out, conversion technique which eliminates reactive
elements », Proceedings Powercon 7, pp.E3_1-E3_15, 1980.
[2] A. Alesina and M. Venturini, « The generalised transformer: a new bi-directional sinusoidal
waveform frequency converter with continuous variable adjustable input power factor », PESC
conference record, pp.242-252, 1980.
[3] C. Rivas, A. Rufer, « Comparaison des pertes des convertisseurs pour système des convertisseurs
pour système de production d’énergie électrique à partir d’une pile à combustible », EPF 2000.