Study and design of a multi-source isolated bidirectional converter dedicated to the grid connection of storage and renewable energy production systems
Étude et conception de convertisseurs réversibles multi sources isolés pour l’interfaçage au réseau de sources d'énergies renouvelables et de moyens de stockage
Résumé
International agreements for the reduction of polluting emissions to the environment require the use of renewable energies in the electricity grid. In addition, the integration of storage devices is envisaged in the future electrical networks in order to solve the intermittence problems and to optimize the consumption of the users. However, due to the different characteristics of the electrical signals involved (DC current for renewable sources and batteries, AC current for the electrical network), the current structures consist on several cascaded converters. This results in a low energy density, higher costs and reduced efficiency for the system. In addition, the different voltage levels (battery voltages, renewable sources and power grid) and safety constraints often require the use of transformers to provide galvanic isolation and match the voltages.This thesis focuses on the design of an innovative three-port structure for the bidirectional power flows control between a renewable power source, a battery pack and the power grid (single phase or three-phase) with a single conversion stage. The TAB (Triple Active Bridge) structure has been chosen for this purpose, due to its many advantages such as galvanic isolation, soft switching (ZVS) in all of its active bridges (allowing to work at high switching frequency) and the possibility of an easy power flow control between the different sources. In this way, the analysis has established a methodology for the design of a TAB DC / DC structure, a single-phase TAB DC / AC structure, a single-phase TAB DC / AC structure with a series connected active filter in order to achieve a "single phase power decoupling" and finally, for the design of a three-phase TAB DC / AC structure.
Les accords internationaux pour la réduction des émissions polluantes dans l’environnement imposent l’insertion de plus en plus importante d’énergies renouvelables intermittentes dans le réseau électrique. De plus, l’intégration de dispositifs de stockage est envisagée dans les réseaux électriques du futur afin de résoudre le problème de l’intermittence et d’optimiser la consommation des utilisateurs. Cependant, du fait des caractéristiques différentes des signaux électriques mis en jeu (courant continu pour les sources renouvelables et les batteries, courant alternatif pour le réseau électrique), les structures actuelles reposent sur plusieurs convertisseurs connectés en cascade. Ceci engendre un coût pour le convertisseur en termes de volume et de pertes. De plus, les différents niveaux de tensions (tensions du pack batterie, des sources de production renouvelables et du réseau électrique) ainsi que des contraintes en termes de sécurité nécessitent souvent l’utilisation de transformateurs pour assurer l’isolation galvanique et l’adaptation des tensions.Cette thèse se focalise sur la conception d’une structure innovante à trois ports permettant les échanges de flux de puissances entre une source de production renouvelable, un pack de batteries et le réseau électrique (monophasé ou triphasé) avec un seul étage de conversion. La structure de type TAB (Triple Active Bridge) a été choisie à cet effet en raison de ses nombreux avantages comme l’isolation galvanique, la commutation douce (ZVS) de tous ses ponts actifs (permettant de travailler à haute fréquence de commutation) et la possibilité de contrôler aisément l’échange de puissance entre les différentes sources. L’analyse réalisée se compose d’une méthodologie pour le dimensionnement, d’une structure TAB DC/DC, d’une structure TAB DC/AC monophasée, d’une structure TAB DC/AC monophasée avec un filtre actif mis en série afin de filtrer la puissance fluctuante et, finalement, d’une structure TAB DC/AC triphasée.
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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