Principe général de la minimisation des commutations

Avant de commencer à aborder et détailler le principe proposé pour la minimisation des commutations, il est préalablement nécessaire de définir les notions et acronymes qui seront utilisés dans la suite de ce chapitre.

Lors de l’exposé du principe de minimisation, nous utiliserons les notions suivantes :

 Etat de commutation : Un état, noté Sx de manière générale, correspond à la réalisation d’un

niveau de tension donné, obtenu à partir de semi-conducteurs du convertisseur qui sont à l’état passants.

 Transition : Passage d'un état donné à un autre

 Trajectoire : Lors du passage d'un niveau de tension donné à un autre, une trajectoire est constituée de l’ensemble des transitions qui permettent de passer de l’état de tension initial à l’état final. Une trajectoire peut être constituée d’une ou plusieurs transitions.

 _{NOT : Acronyme pour « Nombre de Transitions »}

 _{NOC : Acronyme pour «Nombre de Commutations »}

 NOCSx-Sy : Acronyme pour «Nombre de Commutations pour passer de l’état Sx à l’état Sy »

 _NOCtotal : Acronyme pour «Nombre total de Commutations réalisées par les semi-conducteurs lors d'une trajectoire »

Dans la littérature, plusieurs méthodes sont classiquement proposées pour contrôler la tension de sortie des convertisseurs de puissance multiniveaux. Dans notre cas, nous proposons de modifier la commande rapprochée basée sur une LS-PWM classique. Néanmoins, les méthodes PWM utilisées peuvent indifféremment être SHPW, PSPWM, SVM, SHE PWM [1],[7]-[13]. On nommera la nouvelle commande ici proposée par « Contrôle Optimisé » ou OPT-PWM. La modification apportée au mode de contrôle aura pour objectif de réduire tant que faire se peut le nombre de commutations.

Le principe général du contrôle OPT-PWM repose sur l’analyse de l'ensemble des transitions associées aux différentes trajectoires possibles, permettant de passer à chaque période d’échantillonnage du niveau initial de tension au niveau final souhaité. Ensuite, une trajectoire est choisie, selon le critère du minimum de commutations.

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PI PWM _{Convertisseur}

Optimisation Des Commutations

δ 11 δ 24 i Vref Vo i Vo _{δ 11} δ 24 Reconstitution du niveau de tension en sortie Sélection De L état Vo*

Figure II.12: Principe général de la minimisation des commutations.

La Figure II.12 illustre le principe général de la minimisation des commutations, proposé dans ce mémoire. Dans un premier temps, à partir des ordres de commande généré par le bloc PWM, nous

reconstituons le niveau de tension demandé (Vo^*). Ensuite, nous appliquons un algorithme de

sélection d’états qui permet d’obtenir le niveau de tension Vo^* souhaité tout en commutant le

minimum de composants de puissance (diodes et transistors).

2.3.1.1. Reconstitution du niveau de tension Vo^*

Avant d’appliquer l’algorithme de minimisation des commutations, nous devons connaître le

niveau de tension de référence (Vo^*) requis en sortie du convertisseur. Pour ce faire, en sortie du bloc

PWM, nous ajoutons un bloc qui reconstitue le niveau de tension que le convertisseur doit fournir, en fonction des ordres de commande générés par le bloc PWM. Pour réaliser ce bloc, nous devons connaître le type de convertisseur multiniveau mis en œuvre ainsi que tous les niveaux de tension associés possibles en fonction de tous les ordres de commande. La sortie de ce bloc indique la valeur de la tension de sortie Vo^*.

2.3.1.2. Recherche de la trajectoire à nombre minimal de commutations

Une fois la valeur de la tension Vo^* (Figure II.12) obtenue, un deuxième bloc sélectionne l’état de

commutation optimal qui conduit au nombre minimal de commutations.

Pour qualifier le passage d’un niveau de tension à un autre, nous avons choisi d’utiliser la notion de "trajectoire". Dans certains cas, il se peut que pour passer d'un niveau de tension à un autre, nous ayons plusieurs trajectoires possibles. De plus, chaque trajectoire peut contenir plusieurs transitions

entre différents états. Chaque transition (Sx → _{Sy) est associée à un nombre de commutations}

(𝑁𝑂𝐶_{𝑆𝑥−𝑆𝑦}), directement lié à la différence entre les composants de puissance actifs pour le niveau de tension initial et pour le niveau final. Ainsi, la méthode proposée dans ce mémoire permet

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d’accroître la durée de vie des composants de puissance ainsi que la fiabilité du convertisseur en

minimisant le nombre total de commutations NOCtotal lors de chaque changement de niveau de

tension de sortie.

Pour optimiser et donc minimiser ce paramètre NOC lors de chaque changement de niveau de tension, toutes les trajectoires possibles sont envisagées. Notons que la valeur de ce paramètre NOC augmente en fonction du nombre de transitions (NOT). Dans notre étude, les trajectoires nécessitant plus de 2 transitions seront ignorées car elles seront dans tous les cas écartées selon le critère de minimisation des commutations. En effet, dans tous les cas, le choix d'une valeur maximale de NOT égale à 2 permet la sélection de la trajectoire optimisée. Pour chaque transition, le NOC correspondant est calculé. Ensuite, la trajectoire sélectionnée est celle qui conduit à une valeur minimale en sommant toutes les valeurs des NOC précédemment calculées. Le total résultant pour chaque trajectoire est la somme de tous les NOC (Sx-Sy) de toutes les transitions.

La méthode de recherche de la trajectoire optimale est résumée par l'organigramme de la Figure II.13. Cet algorithme est utilisé pour déterminer la trajectoire optimale, lors du passage d'un niveau de tension à un autre. Lors de la première étape, toutes les trajectoires possibles pour passer

du niveau tension initial au niveau de tension final, satisfaisant à 𝑁𝑂𝑇 ≤ 2, sont sélectionnées. Puis,

dans une deuxième étape, les valeurs 𝑁𝑂𝐶𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 associées aux différentes trajectoires sélectionnées

sont calculées. Enfin, la ou les trajectoires conduisant à une valeur minimale de 𝑁𝑂𝐶_{𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙}⁡seront sélectionnées pour effectuer le changement de niveau de tension. Notez que l'organigramme de la Figure II.13 peut conduire à une ou plusieurs trajectoires ; dans ce second cas, le choix de la trajectoire finalement appliquée sera réalisé en choisissant de faire commuter les switches qui ont été le moins sollicités lors des précédentes commutations. Ce mode opératoire (Figure II.13) est appliqué lors de chaque changement de niveaux de tension.

Transition du niveau initial au niveau de tension finale

Sélectionner toutes les trajectoires possibles avec NOT 2

Calcul des valeurs du paramètre NOC_Sx-Sy pour toutes les trajectoires possibles

Sélection de la trajectoire ayant la valeur minimale du paramètre

NOC_total NOC_total= NOC_Sx-Sy

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Ayant ainsi exposé le principe général de l’optimisation des commutations, nous allons maintenant l’illustrer dans le cas de deux configurations de convertisseurs 5 niveaux, présentées dans les sections précédentes. Il s’agit des structures HB-NPC et HB-T-Type monophasées.

3. Cas du HB-NPC à 5 niveaux avec minimisation des commutations