Convertisseur électronique de puissance

Un résumé des architectures d’électronique de puissance pour l’intégration des énergies renouvelables se trouve dans [Car06]. Les architectures des systèmes de stockage illustrées dans la figure 24 et la figure 25 reposent sur l’utilisation de convertisseurs DC/DC et d’onduleurs. Les convertisseurs DC/DC peuvent être classés selon plusieurs critères :

- Buck/boost : la tension de sortie du convertisseur est plus (boost) ou moins (buck)

élevée que la tension d’entrée

- Uni-/bidirectionnel : le courant peut circuler de l’entrée vers la sortie uniquement

(unidirectionnel) ou dans les deux sens (bidirectionnel, réversible ou convertisseur à deux quadrants)

(a) buck (b) boost (c) buck-boost à demi-pont

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- La tension de sortie peut être inversée par rapport à la tension d’entrée (inverseur) ou

non

Les topologies basiques de convertisseur DC/DC sont le convertisseur buck et le convertisseur boost unidirectionnel. La figure 26(a) montre un simple convertisseur buck. Cette topologie est utilisée pour transférer de l’énergie d’une source à tension non contrôlée à une tension régulée

plus élevée [Skv02]. L’interrupteur 𝑆 du schéma peut par exemple être réalisé en technologie

MOSFET (« Metal-Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor » – transistor à effet de champ à grille métal-oxyde) ou comme IGBT (« Insulated Gate Bipolar Transistor » – transistor bipolaire à grille isolée). Si la tension de la source est moins élevée que le niveau souhaité de la tension contrôlée de sortie, un convertisseur boost, comme illustré dans la figure 26(b) peut être employé [Skv02] [Pav14]. Ces deux topologies ne permettent qu’une seule direction du courant et peuvent être utilisées pour la connexion de sources photovoltaïques.

Pour la connexion des batteries, le convertisseur doit pouvoir opérer en mode de charge et de décharge. La combinaison d’un convertisseur

buck et d’un convertisseur boost en contresens, mène à la topologie en demi-pont présentée dans la figure 26(c). Il s’agit d’un hacheur à deux quadrants, un convertisseur buck dont le flux de courant est réversible [Skv02]. Cette topologie peut être utilisée comme convertisseur pour les systèmes de batterie si la tension du jeu de barres

DC est significativement plus élevée que la tension de la batterie. Le convertisseur bidirectionnel à demi-pont peut être utilisé pour élever une tension si les rôles de l’entrée et de la sortie sont inversés. Cette observation permet la conception d’un convertisseur buck-boost bidirectionnel par la connexion en série de deux convertisseurs à demi-pont en contresens. La figure 27 montre les deux topologies possibles de convertisseurs buck-boost en cascade. Dans la figure 27(a), il s’agit du convertisseur buck-boost en cascade classique [Car98] [Gab04]. Il permet l’ajustement de la tension de sortie à un niveau arbitraire par une élévation dans le premier étage boost et par une réduction par le deuxième demi-pont. La solution présentée dans la figure 27(b) inverse l’ordre de ces deux étapes pour atteindre également une tension positive de valeur quelconque [Gab04]. Il est possible de créer un convertisseur buck-boost bidirectionnel avec seulement deux interrupteurs, comme le montre la figure 28. Cependant, la comparaison avec la topologie de la figure 27(a) met en évidence des pertes plus élevées à cause d’un niveau élevé de la valeur moyenne quadratique du courant dans l’inductance [Car98]. Il existe d’autres topologie de convertisseur DC/DC, notamment le convertisseur fly-back ainsi que la topologie dual active bridge qui offrent une séparation galvanique entre les deux ports du convertisseur [Skv02] [Rot14] [Bra10].

Pour l’étage de conversion du lien DC à la tension alternative du réseau, on peut utiliser les topologies d’onduleurs illustrées pour un système monophasé dans la figure 29(a) et pour un

(a) boost-buck (b) buck-boost[Gab04]

Figure 27. Circuit équivalent des topologies buck-boost en cascade.

Figure 28. Circuit équivalent du

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système triphasé dans la figure 29(b). Bien que des architectures d’onduleur à source de courant existent [Ded10], dans la plupart des applications réelles, la préférence est donnée à la topologie à source de tension illustrée ici [Car06]. La figure 30 montre l’architecture complète de la chaîne de conversion pour un système avec un convertisseur boost, et la figure 31 la présente avec un convertisseur buck-boost.

L’utilisation des convertisseurs électroniques de puissance entraine des pertes de conversion. Les sources principales des pertes sont les suivants[Wie08] [Wu08] [Sun10] :

- Les pertes de commutation dans les commutateurs IGBT ou MOSFET dépendent de la

technologie du commutateur, de la fréquence de commutation, du niveau de tension, du courant, et de l’utilisation de la commutation douce [Sun10].

- Les pertes de conduction dans les commutateurs et dans les diodes de roue libre

dépendent de l’intensité du courant.

- Les pertes ohmiques dans le bobinage des filtres (pertes cuivre) dépendent de l’intensité

du courant dans la bobine. Les fluctuations de courant peuvent avoir un faible impact [Wu08].

- Les pertes de magnétisation dans les noyaux des bobines (pertes de fer) dépendent

également de l’intensité du courant

(a) monophasé (b) triphasé

Figure 29. Circuit équivalent des topologies d’onduleur.

Figure 30. Circuit équivalent de la chaine de conversion avec un convertisseur boost.

39 Pour la modélisation du contrôle rapproché de

la chaîne de conversion dans le chapitre D,

des modèles moyennés [Bac14] des

composants électroniques ont été utilisés, tandis que la chaîne de conversion est remplacée par un modèle empirique des pertes en fonction des puissances active et réactive et de la tension du lien DC dans les cas d’études du chapitre E. La figure 32

illustre le rendement typique d’un

convertisseur pour un système photovoltaïque de taille industrielle en fonction de la puissance active.