application au convertisseur multicellulaire

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  • N dordre 2009 ISAL 0117 Anne 2009

    Thse

    Modlisation et Commande des Systmes Physiques

    Topologie Variable : Application au Convertisseur

    Multicellulaire.

    Prsente devant

    LInstitut National des Sciences Appliques de Lyon

    Pour obtenir le grade de docteur

    Ecole Doctorale EEA

    Spcialit : Energie et Systmes

    Par

    Mohamed Abdallah TRABELSI

    Soutenue le 16 Dcembre 2009 devant la commission dexamen

    Jury

    Jean BUISSON

    Mohamed DJEMAI

    Claire VALENTIN

    Malek GHANES

    Jean-Marie RETIF

    Xavier BRUN

    Xuefang LIN-SHI

    Professeur

    Professeur des universits

    Professeur des universits

    Matre de confrences

    Professeur des universits

    Matre de confrences

    Professeur des universits

    Rapporteur

    Rapporteur

    Examinatrice

    Examinateur

    Directeur de thse

    Codirecteur de thse

    Codirectrice de thse

    (membre invit du jury)

  • INSA Direction de la Recherche - Ecoles Doctorales Quadriennal 2007-2010

    SIGLE ECOLE DOCTORALE NOM ET COORDONNEES DU RESPONSABLE

    CHIMIE

    CHIMIE DE LYON

    http://sakura.cpe.fr/ED206

    M. Jean Marc LANCELIN

    Insa : R. GOURDON

    M. Jean Marc LANCELIN Universit Claude Bernard Lyon 1

    Bt CPE 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cedex Tl : 04.72.43 13 95 Fax :

    lancelin@hikari.cpe.fr

    E.E.A.

    ELECTRONIQUE,

    ELECTROTECHNIQUE, AUTOMATIQUE

    http://www.insa-lyon.fr/eea

    M. Alain NICOLAS

    Insa : C. PLOSSU ede2a@insa-lyon.fr Secrtariat : M. LABOUNE AM. 64.43 Fax : 64.54

    M. Alain NICOLAS Ecole Centrale de Lyon Btiment H9

    36 avenue Guy de Collongue 69134 ECULLY Tl : 04.72.18 60 97 Fax : 04 78 43 37 17 eea@ec-lyon.fr

    Secrtariat : M.C. HAVGOUDOUKIAN

    E2M2

    EVOLUTION, ECOSYSTEME, MICROBIOLOGIE, MODELISATION

    http://biomserv.univ-lyon1.fr/E2M2 M. Jean-Pierre FLANDROIS

    Insa : H. CHARLES

    M. Jean-Pierre FLANDROIS CNRS UMR 5558

    Universit Claude Bernard Lyon 1 Bt G. Mendel 43 bd du 11 novembre 1918 69622 VILLEURBANNE Cdex

    Tl : 04.26 23 59 50 Fax 04 26 23 59 49 06 07 53 89 13 e2m2@biomserv.univ-lyon1.fr

    EDISS

    INTERDISCIPLINAIRE SCIENCES-

    SANTE

    Sec : Safia Boudjema M. Didier REVEL

    Insa : M. LAGARDE

    M. Didier REVEL

    Hpital Cardiologique de Lyon

    Btiment Central 28 Avenue Doyen Lpine 69500 BRON

    Tl : 04.72.68 49 09 Fax :04 72 35 49 16 Didier.revel@creatis.uni-lyon1.fr

    INFOMATHS

    INFORMATIQUE ET MATHEMATIQUES

    http://infomaths.univ-lyon1.fr M. Alain MILLE

    Secrtariat : C. DAYEYAN

    M. Alain MILLE Universit Claude Bernard Lyon 1

    LIRIS - INFOMATHS Btiment Nautibus 43 bd du 11 novembre 1918

    69622 VILLEURBANNE Cedex Tl : 04.72. 44 82 94 Fax 04 72 43 13 10 infomaths@bat710.univ-lyon1.fr - alain.mille@liris.cnrs.fr

    Matriaux

    MATERIAUX DE LYON

    M. Jean Marc PELLETIER

    Secrtariat : C. BERNAVON 83.85

    M. Jean Marc PELLETIER

    INSA de Lyon MATEIS Btiment Blaise Pascal 7 avenue Jean Capelle

    69621 VILLEURBANNE Cdex Tl : 04.72.43 83 18 Fax 04 72 43 85 28 Jean-marc.Pelletier@insa-lyon.fr

    MEGA

    MECANIQUE, ENERGETIQUE, GENIE

    CIVIL, ACOUSTIQUE

    M. Jean Louis GUYADER

    Secrtariat : M. LABOUNE PM : 71.70 Fax : 87.12

    M. Jean Louis GUYADER INSA de Lyon Laboratoire de Vibrations et Acoustique Btiment Antoine de Saint Exupry

    25 bis avenue Jean Capelle 69621 VILLEURBANNE Cedex Tl :04.72.18.71.70 Fax : 04 72 43 72 37

    mega@lva.insa-lyon.fr

    ScSo

    ScSo*

    M. OBADIA Lionel

    Insa : J.Y. TOUSSAINT

    M. OBADIA Lionel

    Universit Lyon 2 86 rue Pasteur 69365 LYON Cedex 07 Tl : 04.78.69.72.76 Fax : 04.37.28.04.48

    Lionel.Obadia@univ-lyon2.fr

    *ScSo : Histoire, Geographie, Amnagement, Urbanisme, Archologie, Science politique, Sociologie,

    Anthropologie

  • A mes parents pour ce quils mont apport et que je narrive pas compter

    A ma femme qui ma toujours soutenu et encourag aux moments opportuns

    A mon frre et mes surs pour leurs intrts envers mon travail

    A tous ceux qui me sont chers

  • Remerciements

    Une thse a ncessit, trois ans de travail. Il est certain quon ny arrive pas tout seul,

    mais avec laide et le soutien des personnes qui mont entour. Jcris alors ces

    quelques paragraphes pour les remercier.

    Je tiens tout dabord remercier Jean-Marie RETIF, directeur de cette thse. Il a su

    morienter dans ce monde de recherche et faire preuve de patience et comprhension

    dans les moments difficiles. Je le remercie pour ses conseils et son soutien

    inconditionnel durant toutes ses annes. Il est pour beaucoup dans laboutissement de

    ce travail. Ctait toujours agrable de discuter avec lui de ces sujets scientifiques.

    Ces remerciements sadressent, galement, Xuefang LIN-SHI et Xavier BRUN, co-

    encadrants de cette thse pour leur disponibilit, leurs remarques, leurs critiques

    constructives et leurs soutiens prcieux aides lors de la rdaction de ce manuscrit.

    Je tiens aussi remercier M. Jean BUISSON, Professeur lEcole Nationale Suprieure

    dElectricit (SUPELEC), ainsi que M. Mohamed DJEMAI, Professeur lUniversit de

    Valenciennes et du Hainaut Cambrsis, pour avoir accept dtre les rapporteurs de ce

    travail, malgr la charge de travail quils assument actuellement.

    Je tiens, galement, remercier Claire VALENTIN, Professeur lInstitut Universitaire

    de Technologie B (IUTB), ainsi que Malek GHANES, Matre de Confrences lEcole

    Nationale Suprieure de lElectronique et de ses Applications (ENSEA), pour avoir

    accept de participer au jury de cette thse.

    Je noublierai pas de remercier lensemble du personnel du laboratoire AMPERE , qui a

    contribu instaurer un environnement de travail trs cordial.

  • Rsum

    Lautomatique est une science qui traite de la modlisation et la commande des systmes dynamiques. Ces dernires

    annes ont t marques par lessor dune communaut tudiante les systmes dynamiques hybrides (SDH). Un

    convertisseur statique (prsentant un nombre fini de configurations) associ une charge (procd continu) est un

    exemple de (SDH). Pour tudier le comportement dynamique de ces systmes, il est ncessaire de mettre en

    vidence laspect hybride (intraction entre les variables continues et les variables discrtes) . Dans ce contexte,

    nous prsentons, dans le cadre de cette thse, deux approches systmatiques de modlisation, appliques un

    convertisseur srie associ une charge, dans le but dtablir un modle hybride, qui englobe les variables

    continues et discrtes. La premire approche est la mthode des graphes dinterconnexion des ports qui repose sur

    des interprtations mathmatiques des graphes linaires, en vue dtablir une formulation Hamiltonienne paramtre

    en fonction des tats des interrupteurs de puissance. La deuxime approche est lapproche topologie variable des

    Bond Graph commuts qui permet de modliser les interrupteurs de puissance (lments en commutation) par des

    sources nulles suivant leurs tats. Nous proposons, ensuite, deux lois de commande aspect prdictif qui

    dterminent directement les configurations du convertisseur qui permettent de poursuivre, le plus rapidement

    possible, les rfrences du courant dans la charge (objectif principal) et des tensions aux bornes des condensateurs.

    Les contraintes de temps de calcul tant svres (quelques dizaines de microsecondes), un modle simplifi, valid

    en simulation sur une priode dchantillonnage, est utilis en temps rel. La premire stratgie permet de prdire,

    sur lhorizon dune priode dchantillonnage, lvolution du systme pour chaque configuration et de slectionner

    celle qui minimise la distance entre ltat prdit et ltat de rfrence. Les rsultats de simulation montrent lintrt

    de cette stratgie par rapport une commande classique. Cette stratgie est associe, ensuite, un observateur

    adaptatif dans le but destimer les tensions aux bornes des condensateurs. La deuxime mthode calcule directement

    les rapports cycliques permettant datteindre la rfrence , en effectuant une inversion de la matrice de commande.

    Les commandes proposes sont valides exprimentalement. Les rsultats obtenus montrent l es performances et

    lefficacit de ces mthodes.

    Abstract

    Automatic control deals with modelling and control of dynamic systems. The Hybrid Dynamic System (HDS)

    community has increased over last years. A static converter (having a finite number of configurations) associated to

    a load (continuous process) is an example of HDS. To analyse the dynamic behaviour of such system, it is

    necessary to emphasize and take into account the hybrid aspect. In this document, we propose two systematic

    modelling approaches which are applied on a multicellular converter associated to a load. The aim of these

    modelling approaches is to determine a model by taking into account both the discrete and the continuous variables.

    The first approach is based on a mathematical representation of the dynamic network graph. With this method, we

    synthesize a port-Hamiltonian representation parameterized by the discrete state of the switches. The second

    approach is the switching Bond Graph with variable topology. This method allows modelling the switching

    elements with null sources. Then we propose two predictive control laws which directly de