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Thèse en modélisation et commande des convertisseurs d'électronique de puissance modulaires multiniveaux (MMC) (H/F)

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Informations générales

Référence : UMR5216-VIRFAU-004
Lieu de travail : ST MARTIN D HERES
Date de publication : mardi 7 mai 2019
Nom du responsable scientifique : BRACTU Antoneta
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 1 octobre 2019
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

Dans le contexte de la transition des systèmes énergétiques et des réseaux vers un fonctionnement modulaire flexible et basé sur les énergies renouvelables, sans émissions de carbone, les multiples changements technologiques doivent être accompagnés de changements de paradigmes de contrôle et de modélisation, afin de permettre une croissance efficace et une réduction des coûts, ainsi que fonctionnement en douceur et en toute sécurité et maintenance facilitée.
Les convertisseurs multiniveaux modulaires (MMC) représentent un changement dans la technologie des convertisseurs électroniques de puissance, consistant à multiplier le nombre de couches contenant des dispositifs de commutation, qui doivent donc fonctionner à une fréquence de commutation inférieure à celle des topologies de convertisseurs précédentes. On obtient ainsi des pertes plus faibles et une efficacité de fonctionnement supérieure. La topologie à plusieurs niveaux garantit également de meilleures performances harmoniques à une fréquence de commutation donnée [1]. Les MMC constituent une solution prometteuse pour les systèmes de transmission haute tension à courant continu (HVDC) sur de longues distances, afin de faciliter l'intégration des systèmes d'énergie renouvelable sur le réseau, en cohérence avec les stratégies européennes à long terme d'intégration de réseau renouvelable.
L'objectif de cette thèse est de proposer des solutions pertinentes au contrôle des problèmes de fonctionnement des MMC. Au lieu d'un grand condensateur côté courant continu, les MMC disposent de nombreux condensateurs de faible capacité, se comportant comme une sorte de capacité de stockage d'énergie répartie dans l'espace. L'équilibre dynamique de l'énergie entre les condensateurs des sous-modules dans le temps a été identifié comme l'un des problèmes cruciaux à résoudre par des actions de contrôle; sa solution définit en général la limite inférieure de la fréquence de découpage [1]. Le contrôle du courant circulant de chaque jambe a été identifié comme un moyen possible d'assurer l'équilibre énergétique entre les sous-modules. Le calcul de la référence de cette boucle de régulation actuelle pose problème. une approche de séparation de fréquence a été proposée dans [2]. Une approche de contrôle basée sur la passivité a également été récemment proposée, qui exploite la propriété «naturelle» des convertisseurs d'énergie de stockage et de dissipation. Sous certaines hypothèses de modélisation appropriées, le modèle incrémental en espace d'états d'une MMC devient passif [3].
La conception de commande proposée doit garantir la stabilité et les performances pour un domaine opérationnel aussi large que possible (robustesse), ainsi qu'une mise en œuvre facile, largement acceptée par les praticiens. C'est pourquoi il faut s'appuyer sur le modèle formel le plus approprié. Les MMC peuvent être modélisées comme des systèmes non linéaires (bilinéaires), contenant éventuellement des variables binaires, telles que celles indiquant si un sous-module est inséré ou contourné à un moment donné. Comme pour les autres types de convertisseurs, il existe des modèles à moyenne et à commutation pour les MMC; Plusieurs types de modèles moyennés sont disponibles, en fonction du niveau physique moyen réalisé (niveau des jambes, niveau des bras, niveau des sous-modules) [1].
Les modèles moyennés conviennent à la plupart des applications, les techniques de contrôle basées sur la linéarisation à rétroaction peuvent être une bonne solution de contrôle basée sur de tels modèles [4]. Cependant, des modèles commutés peuvent être nécessaires lorsque les variables binaires sont explicitement prises en compte. Il est pertinent d'explorer la pertinence de considérer la modélisation de processus de modulation dans la conception de contrôle pour l'équilibrage énergétique des sous-modules, car ils sont intimement liés au point de savoir quand changer de sous-module individuel. Une telle approche permettrait d'affirmer que le problème de contrôle est un problème d'optimisation complexe, dont la solution pourrait ne pas être facile à mettre en œuvre. Différentes relaxations peuvent alors être possibles, conduisant à des niveaux acceptables de sous-optimalité dans la solution.
Une deuxième question intéressante à explorer concerne certaines variations de topologie de lumière dans les MMC, à savoir le cas où des piles - au lieu de condensateurs - sont utilisées dans les sous-modules. Dans ce cas, des estimations précises de l'état de charge de la batterie sont nécessaires pour parvenir à l'équilibrage de l'énergie. L'utilisation de filtres de Kalman a récemment été étudiée pour fournir une estimation fiable du SOC [5].
Références
[1] K. Sharifabadi, L. Harnefors, H-P. Nee, S. Norrga, R. Teodorescu (2016). Conception, contrôle et application de convertisseurs multiniveaux modulaires pour les systèmes de transmission HVDC. 1re éd., John Wiley & Sons, Ltd.
[2] L. Zarri, A. Tani, M. Mengoni, M. Bonavoglia, G. Serra, D. Casadei et R. Teodorescu (2014). Contrôle des convertisseurs multiniveaux modulaires basés sur une analyse temporelle et des fonctions orthogonales. Procs. 2014 IEEE Industrial Electronics Society - IECON 2014, p. 4601-4607.
[3] G. Bergna, M. Pirro, E. Berne, A. Arzandé, M. Molinas Cabrera et R. Ortega (2015). Contrôle PI basé sur la passivité du convertisseur multiniveau modulaire adapté aux conditions de réseau équilibré et non équilibré. Procs. de la conférence internationale IEEE 2015 sur le technolog industriel - ICIT 2015.
[4] S. Yang, P. Wang et Y. Tang (2017). Stratégie de contrôle du courant basée sur la linéarisation pour les convertisseurs multiniveaux modulaires. Transactions IEEE sur l'électronique de puissance, 2017, DOI 10.1109 / TPEL.2017.2662062, vol. 33, non. 1, pp. 161–174 ..
[5] Z. He, M. Gao, C. Wang, L. Wang et Y. Liu (2013). Estimation adaptative de l'état de charge des batteries Li-Ion sur la base d'un filtre de Kalman non parfumé avec un modèle de batterie amélioré. Energies, 6, 4134-4151.

PROFIL DU CANDIDAT
Idéalement, on recherche une personne ayant une expérience solide en contrôle linéaire et non linéaire, avec un intérêt et des compétences dans la technologie et les applications des convertisseurs électroniques de puissance pour la conversion d'énergie. La maîtrise de MATLAB® / Simulink® est indispensable. Une capacité en modélisation mathématique à des fins de contrôle est nécessaire.
Des performances académiques élevées (excellents relevés de notes) sont attendues. Un enregistrement de publications dans des revues de haut niveau et / ou des conférences est un atout (mais pas obligatoire).

Contexte de travail

Gipsa-lab est une unité de recherche mixte du CNRS, de Grenoble-INP et de l'Université de Grenoble Alpes ; elle est conventionnée avec Inria et l'Observatoire des Sciences de l'Univers de Grenoble.

Fort de 350 personnes dont environ 150 doctorants, Gipsa-lab est un laboratoire pluridisciplinaire développant des recherches fondamentales et finalisées sur les signaux et systèmes complexes. Il est reconnu internationalement pour ses recherches en Automatique, Signal et Images, Parole et Cognition et développe des projets dans les domaines stratégiques de l'énergie, de l'environnement, de la communication, des systèmes intelligents, du vivant et de la santé et de l'ingénierie linguistique.

De par la nature de ses recherches, Gipsa-lab maintient un lien constant avec le milieu économique via un partenariat industriel fort.
Son potentiel d'enseignants-chercheurs et chercheurs est investi dans la formation au niveau des universités et écoles d'ingénieurs du site grenoblois (Université Grenoble Alpes).
Gipsa-lab développe ses recherches au travers de 12 équipes organisées en 3 départements :Automatique,Images-signal,Parole-cognition.
Elle compte 150permanents et environ 250 non-permanents (doctorants, post-doctorants, chercheurs invités, étudiants stagiaires de master...)
L'équipe Systèmes linéaires et robustesse développe des approches (structurelles, algébriques, optimisation, robustes) d'analyse, d'observation, d'identification, et de commande des systèmes dynamiques (éventuellement à retards).
La spécificité de l'équipe repose sur la prise en compte des incertitudes de modélisation et de perturbations diverses, à des niveaux d'analyse et de synthèse de lois de commande. Les recherches s'appuient principalement sur la théorie de l'automatique linéaire, l'optimisation (dans un contexte robuste ou non). Des travaux plus récents concernent l'étude des systèmes «non linéaires» représentés par des systèmes LPV (Linéaires à Paramètres Variants).

Les domaines d'application majeurs de l'équipe sont les nanosystèmes, le domaine de l'automobile et de l'énergie.

Contraintes et risques

Financement
L'excellence de l'application est un critère d'obtention d'un financement triennal du ministère français de l'éducation par l'école doctorale EEATS (Ecole Doctorale Electronique, Electrotechnique, Automatique et Traitement du Signal - Electronique, Electrotechnique, Systèmes de Contrôle et Traitement du Signal) - l'un des 14 écoles doctorales du Collège des écoles doctorales de l'Université Grenoble Alpes, situées dans la région de Grenoble, en France.

DEMANDE DEAD-lINE: 20 MAI 2019.

Veuillez fournir votre CV, vos relevés de notes pertinents, votre lettre de motivation et votre liste de publications (le cas échéant).

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