DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE En vue de l'obtention du

En vue de l'obtention du
DOCTORAT DE L'UNIVERSITÉ DE TOULOUSE
Délivré par :
Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse)
Discipline ou spécialité :
Génie Électrique
Présentée et soutenue par :
M. EDUARD HERNANDO SOLANO SAENZ
le mercredi 19 novembre 2014
Titre :
Unité de recherche :
Ecole doctorale :
ETUDE DES CONVERTISSEURS MULTICELLULAIRES SERIE-
PARALLELE ET DE LEURS STRATEGIES DE COMMANDE,
APPROCHES LINEAIRE ET PREDICTIVE
Génie Electrique, Electronique, Télécommunications (GEET)
Laboratoire Plasma et conversion d'Energie (LAPLACE)
Directeur(s) de Thèse :
M. GUILLAUME GATEAU
MME ANA MARIA LLOR
Rapporteurs :
M. ERIC LABOURE, SUPELEC
M. ERIC MONMASSON, UNIVERSITE DE GERGY-PONTOISE
Membre(s) du jury :
1
M. ALFRED RUFER, ECOLE POLYTECHNIQUE FEDERALE DE LAUSANNE, Président
2
M. ALAIN LACARNOY, SCHNEIDER ELECTRIC, Membre
2
M. GUILLAUME GATEAU, INP TOULOUSE, Membre
2
Mme ANA MARIA LLOR, INP TOULOUSE, Membre

Résumé
L’évolution de l’électronique de puissance depuis ces dernières années est le résultat des en-
jeux énergétiques actuels qui exigent des architectures de conversion d’énergie capables de
traiter des puissances de plus en plus importantes. Parmi les éléments les plus caractéristiques
de cette évolution, l’avancement technologique des composants semi-conducteurs ainsi que la
conception de nouvelles architectures de convertisseurs statiques jouent un rôle important.
Parmi ces architectures, différentes associations basées sur la connexion en série et en pa-
rallèle de cellules de commutation classiques ont été proposées. Ces associations utilisent des
éléments de stockage d’énergie qui permettent l’obtention de signaux de sortie d’une meilleure
qualité mais qui exigent, par contre, une régulation précise de leur grandeurs internes (tension
ou courant).
La mise en place de stratégies de commande sur ces architectures multicellulaires passe, tout
d’abord, par une première étape de modélisation. Cette etape permet de retrouver les rélations
entre les variables à contrôler et les ordres de commande de toutes les cellules de commutation.
Les stratégies appliquées dans cette memoire, sont basées sur une approche classique linéaire
ainsi que sur la commande prédictive. Parmi les stratégies basées sur la commande prédictive,
la stratégie MPC (Model Predictive Control) utilise une fonction de coût pour choisir l’état op-
timal du convertisseur sur chaque période d’échantillonnage. Une stratégie proposée et basée
sur la MPC est également présentée. Cette stratégie travaille avec des instants de commutation
variables, une fonction de coût simplifiée et une machine d’état.
Dans la dernière partie de cette thèse, nous présentons l’implantation expérimentale de ces
stratégies afin de valider leur performance sur les convertisseurs multicellulaires.
Mots-clefs :
•Commandes linéaires. •Moulateurs multiniveaux.
•Commande prédictive. •Model Predictive Control (MPC).
•Convertisseurs multicellulaires. •Transformateurs Inter-Cellules (ICT).
•Modulateurs multiniveaux.

Abstract
The development in the power electronics field is the result of the current energy challenges
that require power converters working with higher voltages and currents. Among the most cha-
racteristic elements of this development, the conception of new power converters topologies is
an important topic.
These new topologies are principally based on the serial and parallel association of classical
commutation cells. These associations reduce the constraints on the switches and improve the
output signals quality with higher apparent switching frequencies. However, these associa-
tions are possible with the use of energy storage elements, such as inductors or capacitors, and
a control of the currents and voltages of these elements is required.
In the first part of this thesis, we present the generalities of the serial and parallel association
of classical commutation cells and a matrix model is used to simplify the relationship between
the control variables with the control of each cell. With the models obtained, some control stra-
tegies are applied. The first strategy is based on a linear approach while the others are based
on predictive control. Among these strategies, the classical MPC (Model Predictive Control)
strategy that uses a cost function to select the optimal state of the converter for each sampling
period is applied. The second strategy uses some elements of the MPC strategy with variable
switching instants, a simplified cost function and a state machine.
In the last part of this thesis, we present the experimental implementation of these strategies in
order to validate their performance with the Multi-Cell converters.
Keywords :
•Multi-Cell converters. •Inter-Cells Transformers (ICT).
•Linear control. •Model Predictive Control (MPC).
•PWM Methods.