B.2 Commande de l’onduleur multicellulaire parallèle

a. Architecture de la commande

La commande de ce convertisseur peut être très simple en utilisant le principe de l’entrelacement et en rendant toutes les cellules indépendantes. En effet dans ce cas, chaque cellule de commutation possède sa propre porteuse et celles-ci sont toutes déphasées entre

elles d’un angle égale à

. Dans notre cas, le nombre de cellules mises en parallèle est de 2 pour avoir 3 niveaux de tension en sortie. Pour améliorer les spectres et avoir plus de degrés de liberté sur la commande, une stratégie de commande légèrement plus complexe est implantée. L’architecture est proche de celle déjà présentée dans le chapitre précédent.

Figure VI-4 Architecture de la commande du convertisseur multicellulaire parallèle [COU1]

La différence entre les deux architectures de commande (celle du Chapitre 4 et celle présentée ci-dessus) est le découplage (dans le second cas) de chaque bloc entre chaque phase. En effet l’architecture présentée lors du partage de composants montrait que pour être commandé, le générateur des signaux de contrôle devait être commun entre les différentes phases du convertisseur. Dans le cas présenté, chaque groupe de blocs (Modulateur-Générateur de signaux-Convertisseur) est propre à chaque phase. L’avantage d’utiliser cette méthode de commande est la modularité du système. Si une partie est propre au convertisseur utilisé, l’autre partie de la commande est utilisable pour différentes structures possédant le même nombre de niveaux de tension en sortie.

Le but principal du modulateur est de sortir une tension de référence en fonction des modulantes et des différentes porteuses. Plusieurs options sont possibles au niveau de la disposition des porteuses (Figure VI-5). La première est celle introduite dans le début du paragraphe avec un déphasage des porteuses : cette solution est appelée « Phase Shifted (PS) ». La deuxième est appelée « Phase Opposition Disposition (POD) » : sur chaque bande de commutation est définie une porteuse à la fréquence de découpage entre deux bandes adjacentes, les porteuses sont déphasées de 180°.

VI.B L’onduleur multiniveaux parallèle 3 niveaux triphasé

Figure VI-5 Disposition des porteuses pour les trois types de modulation

La fréquence de ces porteuses est égale à la fréquence de découpage apparente voulue pour la tension simple en sortie du convertisseur. La dernière disposition de porteuses reprend le principe de la dernière présentée au niveau de la disposition et de la fréquence des porteuses ; mais dans ce cas, les porteuses sont en phase. Cette dernière disposition est très intéressante car elle permet de réduire certains harmoniques [MCG1] [HOL]. Mais elle est assez contraignante car elle occasionne un déséquilibre des commutations et d’autres problèmes expliqués dans la suite.

La génération des signaux de contrôle est gérée par une machine d’état (Figure VI-6). Chaque état représente une combinaison réalisable par les cellules de commutation.

Figure VI-6 Machine d’état pour un onduleur multicellulaire parallèle 3 niveaux [COU1]

L’état de l’interrupteur indiqué sur la machine d’état est celui du haut sur la cellule de commutation, bien sûr la commande de l’autre interrupteur est complémentaire. Sur la Figure VI-6, il est possible de voir que plusieurs combinaisons peuvent réaliser un même niveau de tension en sortie. Comme dans le cas du convertisseur multicellulaire série, il existe une redondance pour le niveau intermédiaire. C’est d’ailleurs cette redondance qui permet d’augmenter la fréquence de découpage apparente en sortie par rapport à la fréquence de commutation des différents interrupteurs. La gestion de cette redondance dans la machine d’état est réalisée par l’ajout d’une variable interne qui change de valeur uniquement dans les états S1 et S2. La transition des états S3 et S4 vers les états S1 et S2 n’est possible que si deux conditions sont réunies alors que dans le sens contraire seule la condition sur la valeur de la tension image de référence suffit. L’utilisation de ce principe présente un autre

CHAPITRE VI. Structures Multiniveaux Hybride Série-Parallèle

avantage : le codage est relativement facile dans des langages de programmation tels que le langage C utilisé pour la simulation sur PSIM ou le VHDL pour la commande numérique sur FPGA.

b. Génération des modulantes et modulation optimisée

Une autre partie de la commande est la génération des modulantes. En effet si celle-ci n’est pas comprise dans un bloc à part entière, elle peut être assez complexe. Si la solution la plus simple pour un onduleur triphasé est la génération de trois modulantes sinusoïdales déphasées entre elles de ±120°, il est possible aussi pour améliorer les formes d’ondes de sortie de réaliser de l’injection d’harmoniques. Cette injection d’harmoniques ne change en rien les formes d’ondes des tensions entre phases qui auront toujours une forme sinusoïdale. Un autre point réalisé avant l’entrée des signaux modulant dans le modulateur est l’échantillonnage de ces signaux. Celui-ci dépend de la stratégie de modulation utilisée. Ce point est détaillé par la suite.

Le principe de la modulation optimisée [MCG2] [ABD] associe deux principes de modulation : celui utilisant le principe des porteuses et de comparaison entre celles-ci et la modulante et le principe déjà présenté précédemment qui est la Space Vector Modulation (SVM). Des études ont prouvé que ces deux méthodes sont équivalentes si les trois vecteurs les plus proches sont ceux utilisés et que les deux vecteurs du milieu sur une période de découpage sont centrés. Cette technique de modulation est appelée Centred Space Vector (CSVPWM). Pour optimiser l’utilisation d’une modulation PD est qu’il est possible d’injecter un mode commun par l’intermédiaire de la composante homopolaire. Cette composante continue est définie ainsi :

2 ) , , min( ) , , max( r s t r s t k k V V V V V V V V   _k_r,_s,_t Eq. VI-1

Cette composante permet de déterminer dans un cas 2 niveaux, laquelle des références est responsable de la première et de la dernière commutation pour une période de découpage. Pour retrouver cette référence dans un cas où la forme d’ondes en sortie est multiniveaux, il faut appliquer la fonction modulo selon l’équation suivant :

) mod( 2 1 DC DC k k V N V V V _   _ _{Eq. VI-2}

Où VDC correspond à l’amplitude des porteuses. La référence finalement appliquée au

modulateur est la suivante :

2 ) , , min( ) , , max( 2 _k k DC r s t r s t ref V V V V V V V V V          Eq. VI-3

Un des problèmes de cette stratégie de modulation est une utilisation non complète de tous les niveaux disponibles pour certaines profondeurs de modulation. En effet le nombre de niveaux de tension en sortie dépend avec une modulation simple (sinusoïdale) de la profondeur de modulation. Par exemple pour un onduleur avec 4 niveaux de tension possibles en sortie, si la profondeur de modulation est supérieure à 0.33, la forme d’ondes de la tension en sortie possède 4 niveaux différents. Mais si la profondeur est inférieure à 0.33 alors la forme

VI.B L’onduleur multiniveaux parallèle 3 niveaux triphasé

d’ondes ne possède que 2 niveaux différents. Jamais avec une modulation sinusoïdale la forme d’ondes de la tension en sortie ne possède 3 niveaux. Ceci affecte sensiblement les spectres du courant de sortie et de la tension entre phase. Pour pallier à ce problème une modification de l’équation Eq. IV-10 a été proposée [MCG2] : il s’agit de rajouter une composante continue égale à la moitié de l’amplitude des porteuses. L’équation s’écrit maintenant ainsi : 2 ) , , min( ) , , max( 2 r s t r s t DC k k V V V V V V V V V    Eq. VI-4

Cette composante continue est applicable uniquement pour certains intervalles de la profondeur de modulation. Ces intervalles sont fonction du nombre de niveaux possibles que la forme d’ondes de la tension en sortie peut avoir. Ils sont résumés dans le Tableau III-1.

Nombre de niveaux en

sortie Profondeur de modulation

3 0 ≤ M < 0.35 4 0.23 ≤ M < 0.61 5 _{0.46 ≤ M < 0.76} 0 ≤ M <0.17 6 0.14 ≤ M <0.36 _{0.61 ≤ M <0.85} 7 0.30 ≤ M < 0.51 0 ≤ M <0.12 0.70 ≤ M < 0.90

Tableau VI-1 Intervalles où la moitié de l’amplitude de la porteuse doit être ajoutée à [ABD]

Figure VI-7 Modulantes optimisés de référence pour une modulation PD pour un convertisseur multiniveaux avec :A) 3 Niveaux de tension en sortie B) 5 Niveaux, pour une profondeur de modulation égale à 0.8

Sur la Figure VI-7 sont représentées les modulantes de référence pour des convertisseurs multiniveaux à 3 ou 5 niveaux de tension en sortie. Deux types de sauts sont visibles pour les modulantes d’un convertisseur 5 niveaux, certains sont plus importants que d’autres. Les sauts les plus importants sont des transitions entre les différentes bandes de tension pour la

CHAPITRE VI. Structures Multiniveaux Hybride Série-Parallèle

modulante alors que les discontinuités les plus faibles sont les conséquences des fortes discontinuités des autres phases. Une fois ces signaux créés, ils sont échantillonnés pour ensuite être envoyés dans le modulateur d’où sort la forme d’ondes de la tension de référence pour chaque phase.