3.5. Evaluation des Performances du Convertisseur Proposé Muni de sa Commande
3.5.1. Résultats de Simulation
Pour la simulation du convertisseur, nous avons considéré uniquement les équations différentielles du système définies au sens des grandeurs moyennes. L’effet de découpage des interrupteurs n’est donc pas visible sur les résultats de simulation. De plus au démarrage de la simulation, on active simultanément les contrôles des deux étages.
Sur les figures 3-14-a, 3-14-b et 3-14-c est représentée l’évolution des courants inductifs et de
charge, des énergies électrostatiques et de la puissance Pintlors d’un démarrage avec une valeur de
tension intermédiaire fixée à 40V et une tension de sortie de référence fixée à 80V et après un changement de consigne de tension intermédiaire qui passe de 40V à 50V à t=5s. Comme le montre ces courbes, les énergies électrostatiques suivent parfaitement leurs références respectives. La puissance intermédiaire baisse un peu à la suite du changement de tension intermédiaire, les pertes joules ayant baissées dans la simulation. Le découplage des deux régulateurs d’énergie est bien visible sur cet essai.
Cette propriété est confirmé par les essais présentés sur les figures 3-14-d à 3-14-h ou cette fois ci, après le démarrage (identique au cas précédant), on effectue un changement sur la référence de tension de sortie qui passe de 80V à 100V à t=5s. Comme le montre ces relevés, le système est bien contrôlé. Les énergies tout comme les puissances suivent parfaitement leurs consignes respectives. L’équilibrage des tensions capacitives du convertisseur 3 niveaux fonctionne parfaitement même lors des régimes transitoires.
Les figures 3-14-i et 3-14-j montrent l’évolution des énergies et des puissances d’entrée et leurs respectives références après un échelon de puissance de charge. Comme le montrent ces résultats, les puissances suivent toujours parfaitement leurs références respectives. Une légère variation des énergies stockées dans les condensateurs des bus capacitifs est observée sur les formes d’onde au moment de l’échelon, ce résultat s’expliquant par le fait que l’on oblige les puissances à suivre parfaitement leurs références respectives (qui ont des dynamiques imposées par les filtres de référence) ce qui a pour effet de ralentir la réponse à la perturbation de charge. Il est possible d’obtenir un meilleur comportement dynamique en relâchant cette contrainte mais alors le comportement transitoire n’est plus maitrisé.
Figure 3-14-a. Evolution des courants de source il, dans l’inductance L2et de charge ich lors du démarrage et après une variation de Vintref.de 40 V à t=50V.
Figure 3-14-b. Evolution des énergies yint, y3nivet de leurs références lors du démarrage et après une variation de
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs....
Figure 3-14-c. Evolution des puissances intermédiaire Pint, de sa référence Pintref lors du démarrage du convertisseur et après une variation de Vintref de 40V à 50V à t=5s.
Figure 3-14-d. Evolution des énergies yint , y3nivet de leurs références lors du démarrage et après une variation de
Vsref de 80 à 100 V à t=5s, Vintref=40V.
Figure 3-14-e. Evolution des courants de source il, dans l'inductance L2et de charge ich lors du démarrage et après une variation de Vsref.de 80 V à 100V à t=5s, Vintref=40V.
Figure 3-14-f. Evolution des puissances intermédiaire Pint
et de sa référence Pintref lors du démarrage du convertisseur et après une variation de Vsref de 80V à 100V à t=5s,
Vintref=40V.
Figure 3-14-g. Evolution des puissances d’entrée Pin, intermédiaire Pint et de charge Pch lors du démarrage du convertisseur et après une variation de Vsref de 80V à 100V à t=5s, Vintref=40V.
Figure 3-14-h. Evolution des énergies y3niv, y3nivref, des tensions VC1 et VC2 lors du démarrage et après une variation de Vsref de 80V à 100 V, Vintref=40V.
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs.... yintref yint y3nivref y3niv 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 t (s)
Figure 3-14-i. Evolution des énergies yint,, yintref, y3niv, et
y3nivref , après un échelon de tension de sortie à t=5s et une variation de charge à t=8s.
Figure 3-14-j. Evolution des puissances d’entrée Pin, de référence Pinref , des puissances intermédiaires Pint et Pintref
après un échelon de tension de sortie à t=5s et une variation de charge à t=8s.
Figure 3-14. Résultats obtenus par simulation du convertisseur à haut ratio d’élévation de tension.
3.5.2. Résultats Expérimentaux
La commande a été implantée numériquement à partir des outils Matlab/simulink/Dspace et la carte temps réelle DSPACE-1103. La fréquence d’échantillonnage est synchronisée avec la porteuse MLI de manière à ce que la mesure des courants inductifs soit proche de leur valeur moyenne sur une période de découpage (échantillonnage synchronisé sur le sommet des porteuses MLI).
Sur la figure 3.15 sont présentés différents résultats expérimentaux correspondant à quatre types
d’essais. Le premier consiste à varier la référence de tension intermédiaire Vintref qui passe
successivement de 40 à 50V et inversement. Le second consiste à faire varier cette fois-ci la
référence de tension de sortie Vsref qui passe successivement de 80 à 100V et inversement. Le
troisième consiste à faire l’équilibrage de tension de sortie sur les capacitances C1 et C2. Le
quatrième consiste à faire varier la charge de 200 à 380W.
Comme le montrent les résultats présentés sur les figures 3-15-a à 3-15-c pour le premier essai et les figures 3-15-d à 3-15-g pour le second, les énergies suivent parfaitement leurs références respectives. Le découplage des contrôles des énergies électrostatiques est bien réalisé. On remarque aussi que lorsque le niveau de tension intermédiaire passe à 50V, les pertes dans le système
augmentent. En effet, sur la figure 3-15-c, on voit que la puissance d’entrée Pin est plus important à
50V qu’à 40V pour la tension intermédiaire.
Les Figure 3-15-g et 3-15-h pour le troisième essai permettent d’évaluer le comportement des
tensions aux bornes des condensateurs C1 et C2 lorsque le système d’équilibrage est actif
(figure.3-15-g) et désactivé (figure.3-15-h). Comme le montre ces résultats, l’équilibrage dynamique est une nécessité. D’autre part, la solution d’équilibrage actif fonctionne bien et permet d’assurer l’équilibre des tensions même en régime transitoire.
Les figures 3-15-i et 3-15-j montrent l’évolution des énergies et des puissances d’entrée et leurs références respectives après un échelon de puissance de charge. Comme pour les résultats de simulation, les puissances suivent parfaitement leurs références respectives. Une variation des énergies stockées dans les condensateurs des bus capacitifs est observée sur les formes d’onde au moment de l’échelon. Ces résultats sont cohérents avec ceux obtenus par simulation.
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs....
Figure 3-15-a. Evolution des courants échantillonnés de source il, dans l'inductance L2et de charge ich après des variations successives de Vintref.de 40 V à 50V et inversement, Vsref=80V.
Figure 3-15-f. Evolution des énergies y3niv, y3nivref , des puissances intermédiaires Pint et Pintref après des variations successives de Vsref.de 80 V à 100 V et inversement,
Vintref=40V. (200W d’offset de mesure pour les puissances).
Figure 3-15-b. Evolution des énergies yint , y3niv et de leurs référencesaprès des variations successives de Vintref.de 40 V à 50V et inversement, Vsref=80V.
Figure 3-15-g. Evolution des énergies y3niv y3nivref , des tensions VC1 et VC2 après des variations successives de
Vsref.de 80 V à 100 V et inversement, Vintref=40V.
Figure 3-15-c. Evolution des énergies yint,, yintref, des puissances d’entrée Pin et de référence Pinref après des variations successives de Vintref.de 40 V à 50V et inversement, Vsref=80V. (300W d’offset de mesure pour les puissances).
Figure 3-15-h. Evolution des tensions VC1 et VC2 quand le système d’équilibrage est arrêté, Vsref = 80V.
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs....
Figure 3-15-d. Evolution du courant de source il, du courant dans l'inductance L2et du courant de charge ich
après des variations successives de Vsref.de 80 V à 100 V et inversement, Vintref=40V.
Figure 3-15-i. Evolution des énergies yint,, yintref, des puissances d’entrée Pin et de référence Pinref après une variation de charge de 270W à 410W.
Figure 3-15-e. Evolution des énergies yint ,y3niv et de leurs références après des variations successives de Vsref.de 80 V à 100 V et inversement, Vintref=40V.
Figure 3-15-j. Evolution des énergies y3niv, y3nivref , des puissances intermédiaires Pint et Pintref après une variation de charge de 270W à 410W.
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs....
3.6. Conclusion
Dans ce chapitre, nous avons présenté deux stratégies de contrôle qui ont été appliquées à des convertisseurs de type élévateur. La première stratégie est basée sur une structure de contrôle à une boucle, la tension de sortie étant indirectement contrôlée par l’énergie totale stockée dans le hacheur. Cette approche permet d’obtenir des dynamiques élevées en asservissement et en régulation. Néanmoins elle nécessite, pour annuler l’erreur statique de tension (apparaissant lorsque l’énergie électrostatique stockée dans le(s) condensateur(s) n’est plus négligeable devant l’énergie magnétique stockée dans l’inductance), d’utiliser des estimateurs permettant de connaitre les pertes dans le convertisseur. La seconde approche repose sur une structure de contrôle à deux boucles, une boucle externe d’énergie électrostatique et une boucle interne de puissance. Bien qu’ayant par construction même, des propriétés dynamiques inférieures à la première approche, elle est très robuste aussi vis-à-vis des variations paramétriques ou de charge et ne nécessite pas d’estimateurs. Cette dernière stratégie de contrôle a été appliquée pour le contrôle du convertisseur à haut ratio d’élévation choisi au chapitre I.
Bien que les validations expérimentales ont été faites à faible niveaux de puissance, elles ont permis de prouver l’efficacité des stratégies de commande développées et les résultats peuvent facilement être transposés à des niveaux de puissance plus importants.
Chapitre 3 : Contrôle des Convertisseurs Elévateurs....
3.7. Références
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[Gensior,2004] A. Gensior, O. Woywode, J. Rudolf, and H. Güldner, “Boost Converter Control: Comparison of PI-, Passivity-Based and Flatness-Based Methods”, in Proceeding PEMC Conference, Latvia, Septembre 2004.
[Huang,2009] Bin Huang, “Convertisseur Continu-Continu a Rapport de Transformation Elève pour Applications Pile à Combustible”, thèse de doctorat, Green, ENSEM, INPL, Nancy, 2009. [Liutanakul,2010] P. Liutanakul, A.-B. Awan, S. Pierfederici, B. Nahid-Mobarakeh and F. Meibody-Tabar, , “Linear Stabilization of a DC Bus Supplying a Constant Power Load: A General Design Approach”, IEEE Trans. Power Electronics, vol. 25, no. 2, pp. 475-488, Février 2010.
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[Thounthong,2010] P. Thounthong, S. Pierfederici, J.-P. Martin, M. Hinaje and B. Davat, “Modeling and Control of Fuel Cell/SupercapacitorHybrid Source Based on Differential Flatness Control”, IEEE Transaction on Vehicular Technology, vol. 59, no. 6, pp. 2700-2710, Juillet 2010. [Zandi,2011] M. Zandi, A. Payman, J.-P. Martin, S. Pierfederici and B. Davat, Meibody-Tabar, F.; , “Energy Management of a Fuel Cell/Supercapacitor/Battery Power Source for Electric Vehicular Applications”, IEEE Transaction Vehicular Technology, vol. 60, no. 2, pp. 433-443, Février 2011.
Chapitre 4
Chapitre 4: Filtrage des Ondulations de Courant Haute....
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