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Architecture parallèle d'onduleurs de courant pour la conversion d'énergie photovoltaïque en forte puissance

Département des Technologies Solaires (LITEN)

01-09-2018

SL-DRT-19-0061

jeremy.martin@cea.fr

Classiquement, les systèmes de conversion de l'énergie électrique dans le domaine photovoltaïque sont des structures de type onduleurs de tension [4] - [7]. Dans ce cas, la chaîne de conversion de l'énergie photovoltaïque est composée de deux étages: un convertisseur DC-DC suivi d'un onduleur de tension (VSI). Ces topologies à base de sources de tension ont des inconvénients à court terme (problèmes de durée de vie des condensateurs de liaison) [5], [8], [9] et une efficacité relativement réduite (en raison d'une double conversion) [5]. En tant que solution alternative, la structure en onduleur de courant (CSI) peut être utilisée. Parmi les avantages de la structure CSI, peuvent être listés : -Une réduction du nombre de composants de puissance, en raison de la conversion de l'énergie avec un seul étage de conversion [5] -Une durée de vie du convertisseur plus importante (par rapport aux structures classiques) en raison de la suppression du condensateur de liaison [5], [8], [9] et d'une tension à l'état bloquée vue par les interrupteurs inférieure [11] -Une intégration d'une protection contre les courts-circuits naturelle D'autre part, la topologie CSI présente les inconvénients suivants: - Des pertes de conduction relativement élevées, en raison de la connexion en série de dispositifs (MOSFET + Diode) [4], [6] - L'exigence de protection spéciales côtés AC et DC [4] Pour la topologie CSI, un moyen possible de surmonter l'inconvénient des pertes de commutation élevées consiste à utiliser des dispositifs à large bande (WBG). Plus précisément, les semi-conducteurs de SiC, en raison de leurs plages de tension plus élevées. Le LSPV travaille actuellement sur: -La caractérisation des semi-conducteurs WBG en calibre 1.7kV -Le dimensionnement et réalisation d'un CSI de 100 kW (utilisant les modules développés sur-mesure) -La caractérisation du rendement des convertisseurs par des méthodes calorimétriques -L'étude et réalisation d'un convertisseur CSI multi-niveaux de forte puissance Le sujet de la thèse se situe dans la continuité logique de ce travail avec une partie importante relative au contrôle de la structure, à l'entrelacement des blocs, à la réduction de la taille de l'inductance d'entrée. [1] Jäger-Waldau, A. (2016). PV Status Report 2016. JRC Science for Policy Report (Publications Office of the European Union, 2016). [2] Photovoltaics report. Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems-ISE, Freiburg, November 2016. Retieved May 2017. [3] BURGER, Bruno. Power Electronics for Photovoltaics. 2015. [4] Sahan, B., Araujo, S. V., Noding, C., & Zacharias, P. (2011). Comparative evaluation of three-phase current source inverters for grid interfacing of distributed and renewable energy systems. IEEE Transactions on Power Electronics, 26(8), 2304-2318. [5] Bülo, T., Sahan, B., Nöding, C., & Zacharias, P. (2007, September). Comparison of three-phase inverter topologies for grid-connected photovoltaic systems. In Proc. 22nd Eur. Photovolt. Sol. Energy Conf. Exhib., Milan, Italy. [6] Martin, J., Bier, A., Catellani, S., Alves-Rodrigues, L. G., & Barruel, F. (2016, May). A high efficiency 5.3 kW Current Source Inverter (CSI) prototype using 1.2 kV Silicon Carbide (SiC) bi-directional voltage switches in hard switching. In PCIM Europe 2016; Proceedings of (pp. 1-8). VDE. [7] Sahan, B., Vergara, A. N., Henze, N., Engler, A., & Zacharias, P. (2008). A single-stage PV module integrated converter based on a low-power current-source inverter. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 55(7), 2602-2609. [8] Wang, H., Liserre, M., & Blaabjerg, F. (2013). Toward reliable power electronics: Challenges, design tools, and opportunities. IEEE Industrial Electronics Magazine, 7(2), 17-26. [9] Yang, S., Bryant, A., Mawby, P., Xiang, D., Ran, L., & Tavner, P. (2011). An industry-based survey of reliability in power electronic converters. IEEE Transactions on Industry Applications, 47(3), 1441-1451. [10] Engler, A., et al. "Design of a 200W 3-phase module integrated PV inverter as part of the European project PV-MIPS." Proceedings of the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, Dresden, Germany. 2006. [11] Felgemacher, C., Araujo, S. V., Noeding, C., & Zacharias, P. (2016, May). Benefits of increased cosmic radiation robustness of SiC semiconductors in large power-converters. In PCIM Europe 2016; Proceedings of (pp. 1-8). VDE. [12] Rashid, M. H. (2010). Power electronics handbook: devices, circuits and applications. Academic press.

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