Optimal sizing of modular multilevel converters

L’électronique de puissance a pénétré depuis quelques décennies les applications à forte puissance dans de nombreux domaines de l’industrie électrique. Au-delà de l’apparition des technologies d’interrupteur à forte puissance commutable en moyenne tension, ces applications imposaient également des avancées dans le domaine des topologies de convertisseurs statiques : les principaux défis à affronter concernaient l’atteinte de niveaux de tension compatibles avec le domaine de puissance des applications, l’augmentation de la fréquence de commutation apparente en sortie afin d’augmenter la bande passante de la commande, de réduire la taille des éléments de filtrage et de limiter les harmoniques de courant injectés dans le réseau d’alimentation. Les topologies de convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) sont issues de cette problématique de recherche : elles permettent grâce à l’association de cellules de commutation d’atteindre des niveaux de tension exploitables en grande puissance avec les technologies d’interrupteurs existantes, de limiter les fréquences et les pertes de commutation des interrupteurs élémentaires tout en maîtrisant la distorsion harmonique totale (THD). La modularité, la redondance, les degrés de liberté et les fonctionnalités des MMC leur permettent aussi d’augmenter la tolérance aux défauts. Ils pénètrent à présent une large gamme d'applications comme le transport à courant continu en haute tension (HVDC), les systèmes d'énergie renouvelable, les entraînements à vitesse variables de grande puissance, la traction ferroviaire et maritime ainsi que des applications spécifiques très contraignantes en matière de performance dynamique comme les systèmes d’alimentation des électro-aimants dans les accélérateurs de particules. Les topologies MMC sont composées de cellules de commutation élémentaires utilisant des interrupteurs électroniques tels que le Thyristor à Commande Intégrée (IGCT) standard ou les dernières génération d’IGBT. Les convertisseurs MMC ont fait l’objet de nombreux travaux de recherche et de développement en ce qui concerne les topologies, la modélisation et le calcul du fonctionnement en régime permanent et transitoire, le calcul des pertes, le contenu harmonique des grandeurs électriques et les systèmes de commande et de régulation. Par contre le dimensionnement de ces structures est rarement abordé dans les travaux publiés. Comme la grande majorité des topologies de convertisseurs statiques, les convertisseurs MMC sont composés non seulement d’interrupteurs mais aussi d’organes de stockage d’énergie de type composants diélectriques (condensateurs) et magnétiques (inductances, coupleurs) qui sont essentiels pour assurer la conversion des grandeurs électriques en entrée et en sortie. Ces composants ont une forte influence sur la taille, le volume et le rendement des convertisseurs et le dimensionnement optimal de ces derniers résulte souvent de compromis entre la taille des composants passifs, la fréquence et la puissance commutable par les interrupteurs élémentaires. Le travail de recherche présenté dans ce mémoire concerne le développement d’une méthodologie de dimensionnement optimal et global des MMC intégrant les composants actifs et passifs, respectant les contraintes des spécifications de l’application et maximisant certains objectifs de performance. Cette méthodologie est utilisée pour analyser divers compromis entre le rendement global du convertisseur et sa masse, voire son volume. Ces divers scénarios peuvent être également traduits en termes de coût si l’utilisateur dispose du prix des composants disponibles. Diverses solutions concurrentes mettant en œuvre un nombre de cellules spécifique adaptées à des interrupteurs de caractéristiques différentes en termes de calibre de tension, de courant et de pertes associés peuvent ainsi être comparées sur la base de spécifications d’entrée-sortie identiques. La méthodologie est appliquée au dimensionnement d’un convertisseur MMC utilisé comme étage d’entrée (« Active Front-end » : AFE) d’une alimentation d’électro-aimant pulsée de grande puissance. Dans une première partie, une méthode de calcul rapide, précise et générique du régime permanent du convertisseur MMC est développée. Elle présente la particularité de prendre en compte la fréquence de commutation contrairement aux approches conventionnelles utilisant la modélisation en valeurs moyennes. Cet outil se révèle très utile dans l’évaluation du contenu harmonique qui est contraint par les spécifications, il constitue le cœur de l’environnement de conception du convertisseur. Contrairement aux convertisseurs conventionnels, il existe des courants de circulation dans les convertisseurs MMC qui les rendent complexe à analyser. Les inductances de limitation incorporées dans les bras de la topologie sont généralement volumineux et pénalisants en termes de volume et de masse. Il est courant d’utiliser des inductances couplées afin de réduire l'ondulation , la THD et la masse. Dans le travail présenté, un circuit équivalent des inductances couplée tenant compte de l'effet de saturation est développé et intégré à l’environnement. L’utilisation d’inductances couplée augmente la complexité de l'analyse du fonctionnement et la précision de leur méthode de dimensionnement est critique pour l’optimisation globale du convertisseur. Un modèle analytique de dimensionnement de ces composants a été développé et intégré dans l’environnement ainsi qu’un modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs par éléments finis. La méthodologie de conception optimale et globale proposée utilise une procédure d’optimisation non linéaire avec contraintes qui pilote l’outil de calcul de régime permanent, le modèles de dimensionnements à plusieurs niveaux de complexité des composants passifs ainsi que d’autres modules permettant de quantifier les régimes de défaut. Pour pallier à la précision réduite des modèles analytiques, une approche d'optimisation hybride est également implantée dans l’environnement. Dans la boucle d'optimisation hybride, le modèle de dimensionnement des inductances peut être corrigé par le modèle de complexité supérieure qui utilise le calcul des champs. On obtient ainsi un meilleure compromis entre la précision de la solution optimale et le temps de convergence de la méthode itérative d’optimisation globale.In the last decades, power electronics has penetrated high power applications in many areas of the electrical industry. After the emergence of high-voltage semiconductor switch technologies these applications also required advances in the field of static converter topologies: The main challenges were to achieve voltage levels compatible with the application power domain, to increase the apparent switching frequency at the output, to increase the control bandwidth, to reduce the size of the elements of filtering and of limiting the current harmonics injected into the supply network. The topologies of multi-level modular converters (MMC) are based on this research problem: they enable the use of switching cells to achieve high power levels that can be used with existing switch technologies, frequencies and switching losses of the elementary switches while controlling the total harmonic distortion (THD). Modularity, redundancy, degrees of freedom and MMC functionality also allow them to increase fault tolerance. They now penetrated a wide range of applications, such as high-voltage DC (HVDC), renewable energy systems, high-speed variable speed drives, rail and marine traction, and very specific applications in terms of dynamic performance such as electromagnet power systems in particle accelerators. MMC topologies are composed of elementary switching cells using electronic switches such as the standard Integrated Control Thyristor (IGCT) or the latest generation of IGBTs. MMC converters have been the subject of extensive research and development work on topologies, modeling, and calculation of steady-state and transient operation, loss calculation, the harmonic content of electrical quantities and systems control and regulation functions. On the other hand, the dimensioning methodology of these structures is rarely addressed in the published works. Like most static converter topologies, MMC converters are composed not only of switches but also passive components of energy storage devices (capacitors) and magnetic (inductors, couplers) that are essential to ensure the conversion of the input and output electrical quantities. These components have a strong influence on the size, the volume and the efficiency of the converters and the optimal dimensioning of the latter often result from a compromise between the size of the passive components, the frequency and the power switchable by the elementary switches. The research presented in this thesis concerns the development of an optimal and comprehensive design methodology for MMCs integrating active and passive components, respecting the constraints of the application specifications and maximizing certain performance objectives. This methodology is used to analyze the various trade-off between the overall efficiency of the converter and its mass, or even its volume. These various scenarios can also be translated into cost if the user has the price of the available components. Various competing solutions using a specific number of cells adapted to switches with different characteristics in terms of voltage, current, and associated losses can thus be compared on the basis of identical input-output specifications. The methodology is applied to the dimensioning of an MMC converter used as an active front-end (AFE) input of a high-power pulsed solenoid power supply. In the first part, a fast, precise and generic method for calculating the steady-state model of MMC converter is developed. It has the particularity of taking into account the switching frequency as opposed to conventional approaches using modeling in mean values. This tool is very useful in evaluating the harmonic content that is constrained by the specifications, it is the heart of the design environment of the converter. Unlike conventional converters, there are circulation currents in MMC converter structure that make it complex to analyze. The inductors which are used in the arms of the topology are generally bulky and expensive in terms of volume and mass. It is common to use coupled inductors to reduce ripple, THD, and mass. In the presented work, an equivalent circuit of coupled inductances considering the saturation effect is developed and integrated. The use of coupled inductors increases the complexity of the analysis and the precision of its sizing method is critical for the overall optimization of the converter. An analytical model for the dimensioning of these components has been developed and integrated as well as a higher complexity model which uses the finite element method calculation. The proposed optimal and global design methodology uses a nonlinear optimization procedure with constraints that drive the steady-state computing tool, multi-level design models of passive component complexity, and other modules to quantify the fault state. To compensate the low precision of the analytical models, a hybrid optimization approach is also implemented. In the hybrid optimization loop, the inductance-sizing model can be corrected by the higher complexity model that uses finite element computation. A better compromise is thus obtained between the precision of the optimal results and convergence time of the iterative global optimization method