Commande prédidtive directe d`un convertisseur multicellulaire

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Délivré par l’Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie électrique
JURY
Patrick BOUCHER Rapporteur
Jean Marie RETIF Rapporteur
Seddik BACHA Président
Régis MEURET Examinateur
Thierry MEYNARD Examinateur
Frédéric ROTELLA Examinateur
Ecole doctorale : Génie Electrique, Electronique, Télécommunications
Unité de recherche : Laboratoire LAPLACE - UMR5213
Directeurs de Thèse : FADEL Maurice / LLOR Ana-Maria
Présentée et soutenue par
François Defaÿ
Le 4 décembre 2008
Titre : Commande Prédictive Directe d’un Convertisseur Multicellulaire
Triphasé Pour Une Application de Filtrage Actif.

Résumé
Les enjeux énergétiques liés à la qualité de la distribution de l’énergie élec-
trique nécessitent le développement des dispositifs de filtrage actif des réseaux
électriques. En injectant un courant en opposition de phase avec les harmo-
niques de la charge (courants perturbateurs), le filtre actif permet d’améliorer la
qualité du prélèvement de l’énergie électrique et répond ainsi à cette problématique.
L’objet de cette thèse repose sur l’utilisation d’un convertisseur multicellulaire
triphasé à 3 cellules de commutations par phase, pour réaliser cette fonction. Les
quatre niveaux de tension de cet onduleur lui procurent des avantages fréquentiels
que nous allons utiliser en appliquant une commande prédictive. Ce type de
commande permet d’obtenir une bonne source de courant, de grande qualité tant
par la forme d’onde que par la réponse en fréquence. Pour cela, nous avons réalisé
un contrôle direct des IGBTs en utilisant des tables de commutations. Cette
méthode s’affranchit du contrôle des 6 tensions flottantes en se passant ainsi de
capteurs de tension précis. En combinant les effets de la commande prédictive et
de l’approche directe sur le convertisseur multicellulaire, nous disposons d’un filtre
actif ayant une très bonne bande passante. Nous pouvons injecter des courants à
une fréquence de 1kHz en découpant à 2,5kHz au niveau des IGBTs. Ceci autorise
un fonctionnement à forte puissance ou encore sur un réseau à plus haute fréquence.
Les travaux ont donné lieu à des simulations et à des validations expérimentales.
Nous avons mis en oeuvre un prototype permettant de tester nos lois de commande
sur un réseau 400V pour une puissance de compensation de l’ordre de 10kVar. Cette
maquette, reconfigurable va permettre également de tester dans le futur d’autres
commandes évoluées.
Mots-cl´es :
filtrage actif
convertisseur multicellulaire
commande pr´edictive
commande directe
FPGA
rep`ere ba-ca

Abstract
Recently, the power quality has become a challenge due to the increase of power
demand, isolated network productions and power consumption. Active power
filter inject harmonics current to compensate the harmonics of the non-linear loads.
The aim of this thesis is to use a three-phase 4-levels flying capacitor inverter
to perform the active power filtering operation. Flying capacitor inverter, also
called multicell inverter have some frequencies advantages due to redundant
states. A direct and predictive control is applied to this inverter to obtain a good
current generator in the composed frame (ba-ca). This control method has been
applied to increase the bandwidth of the inverter, defined as the ratio between the
switching frequency and the current frequency. The flying capacitor control has
been developed without any modulation and is achieved with the use of switching
tables. The simulations and experimental results presented demonstrate the
excellent performance of the direct control in terms of current bandwidth, power
factor and reduced switching frequency of each commutation cell, in comparison
to traditional control schemes.
An experimental prototype of 10kVA, developed during the thesis allows to
validate our results. This prototype is flexible and can be used to other applications.
Keywords:
active power filter
flying capacitor inverter
predictive control
direct control
FPGA
ba-ca frame