CHAPITRE II Classification des Structures de Conversion Multiniveaux
II. C.1. Les ponts en H
Cette famille de structure de conversion est la première décrite dans la littérature comme une structure de conversion multiniveaux [KOU]. En effet la mise en cascade de plusieurs structures à 2 niveaux permet d’avoir en sortie une forme d’onde de tension multiniveaux.
a.Structure simple
La structure de base est composée de cellules de commutation (Figure II-2), le principe pour avoir une forme d’onde de tension multiniveaux en sortie est d’agir sur la différence de potentiel entre les deux sorties des cellules de commutation (A et B).
Figure II-2 Structure à Pont en H 3 niveaux
Cette structure peut être utilisée dans le cas d’une alimentation d’un moteur à courant continu, par exemple, car en fonctionnement hacheur elle permet de réaliser toutes les configurations possibles pour le moteur : rotation dans les deux sens et fonctionnement soit en générateur ou moteur. La commande la plus simple dans le cas d’un onduleur est réalisée de la façon suivante : une porteuse commune aux deux cellules de commutation et une modulante pour chacune de ces cellules, ces deux modulantes sont en opposition de phase.
Figure II-3 Formes d’onde de la tension et du courant de sortie et des modulantes des deux cellules de commutation et de la porteuse
II.C Les différentes familles de convertisseur multiniveaux
La Figure II-3 montre quelques formes d’ondes issues de la structure de base du pont en H ainsi que de la commande la plus simple pour un onduleur. Au niveau du dimensionnement des interrupteurs, il est identique à celui d’une cellule de commutation simple. Néanmoins avec une structure simple il est possible de faire commuter deux fois plus de puissance car la tension de sortie n’est plus entre –E/2 et E/2 mais entre –E et +E.
b.Mise en série
Un des intérêts de la structure à pont en H est de pouvoir réaliser une mise en série pour avoir en sortie une forme d’onde de tension multiniveaux. La disposition de deux ponts en H mis en série est montrée sur la Figure II-4. Le point A d’un pont en H est relié au point B de l’autre et ainsi de suite si l’application met plus de 2 ponts en H en série. Ce type de conversion nécessite des sources de tension isolées les unes par rapport aux autres si le système de conversion doit fournir de la puissance active. Dans le cas d’un filtrage d’harmonique ces sources peuvent être remplacées par des condensateurs dont il sera nécessaire d’assurer l’équilibrage.
Figure II-4 Mise en série de 2 ponts en H
Au niveau de la commande de cette structure, celle-ci est relativement simple : les modulantes pour toutes les cellules de commutation A sont identiques, idem pour les cellules de commutation B avec signe opposé par rapport à la modulante des cellules de commutation A.
les porteuses sont elles déphasées de , entre les différents pont en H mis en série, : N représente le nombre de ponts en H mis en série. Ceci permet de réaliser un entrelacement entre les différents ponts en H et ainsi d’obtenir en sortie un forme d’onde de tension possédant 2*N-1 niveaux de tension qui possède une fréquence apparente égale à 2*N*Fdec , Fdec étant la fréquence de découpage d’une cellule de commutation.
L’inconvénient de cette structure est le fait que toutes les sources de tension doivent être isolées. Néanmoins elle devient très intéressante pour des applications de compensation de puissance réactive. En effet, pour de telles applications, la tension aux bornes des différentes sources de tension reste équilibrée. Dans le cadre d’une étude sur un compensateur de puissance réactive d’une puissance de 1MVAR (Annexe), qui nécessite de mettre une vingtaine de pont en H en série, il a été étudié le remplacement des cellules de commutation 2 niveaux par des structures de conversion multiniveaux classiques.
Un des avantages de cette structure est d’être performante au niveau de la tolérance de panne.
En effet, grâce aux nombreuses redondances pour réaliser les différents niveaux, en particulier quand le nombre de pont en H mis en série augmente, et donc les possibilités pour réaliser les différents niveaux sont nombreuses. Au niveau de l’utilisation de cette structure comme un onduleur classique il existe différentes applications. Chaque source de tension est alimentée par une source de tension globale et autant de transformateurs que de sources de tension isolées.
c.Convertisseur multiniveaux modulaires
Le convertisseur multiniveaux modulaire est une variante de la mise en série de ponts en H [LES][ALL]. Néanmoins cette structure possède beaucoup d’avantages. Tout d’abord contrairement à la mise en série de ponts en H, les sources de tension isolée sont remplacées par des condensateurs flottants, qui possèdent la propriété d’auto-équilibrage dans certaines conditions [GLI]. Comme pour la mise en série de ponts en H, la structure est composée d’une mise en série de sous-modules. Cette fois ci, les sous-modules sont réalisés par une unique cellule de commutation placée aux bornes d’un condensateur flottant (Figure II-5).
Figure II-5 Schéma du convertisseur multiniveaux modulaire
Les inductances en sortie sont placées pour limiter le courant alternatif en cas de défaillance ou de court-circuit [ALL].
Cette topologie est spécialement adaptée à des applications à haute tension et fortes puissances. Il est possible de retrouver cette topologie dans des applications de liaison à courant continu à haute tension. L’intérêt de cette structure est augmentation du nombre de degré de liberté lorsque le nombre de sous-modules mis en parallèle croît. Cette augmentation permet d’avoir un plus grand nombre de redondance pour réaliser certains niveaux. Ainsi il est possible d’avoir une continuité de service même si un sous module est défaillant. Un avantage de cette structure est de ne pas avoir besoin de condensateur sur le bus continu celui- ci étant réalisé par l’ensemble des condensateurs de la structure ( et donc dimensionné à la fréquence de modulation)
II.C Les différentes familles de convertisseur multiniveaux
Ces structures pourront être utilisées dans des applications à fortes puissances. Dans le cas de la mise en série de ponts en H, les puissances peuvent aller du kW à la centaine de mégawatt.
Dans le cas des convertisseurs multiniveaux modulaires, ils commencent à être utilisés dans l’industrie notamment pour la réalisation de liaison à courant continu : un projet de réalisation de ligne HVDC entre la France et l’Espagne de 2000MVA pour une tension continu de 320kV [SIE].