Sujet de Thèse

Contexte

Un levier clé dans la lutte contre le changement climatique est la transition vers les sources d'énergie renouvelables telles que l'énergie solaire et éolienne. Cette transition a entraîné, au cours de la dernière décennie, un changement de paradigme majeur : la production et le stockage de l'énergie deviennent de plus en plus distribués, et les composants à courant alternatif (AC) sont progressivement remplacés par des dispositifs à courant continu (DC). Dans ce contexte, les micro-réseaux à courant continu (DC microgrids) ont émergé comme un paradigme prometteur pour l'intégration des sources renouvelables et du stockage local. Leur fonctionnement repose fortement sur des convertisseurs électroniques de puissance, qui assurent la gestion des flux de puissance entre plusieurs sources, éléments de stockage et charges. Garantir un fonctionnement efficace, stable et fiable de ces convertisseurs est donc essentiel. Ces enjeux constituent le coeur du projet ANR JCJC CASIMIR.

Les convertisseurs utilisés dans les micro-réseaux DC sont communément appelés convertisseurs multiports, car ils interfacent plusieurs sources d'énergie et charges via plusieurs ports. Une caractéristique clé de ces systèmes est qu'ils présentent des degrés de liberté dans leurs entrées de commande par rapport à l'objectif de commande principal, à savoir le maintien de la tension du bus DC.

Le principal défi abordé dans cette thèse est d'exploiter ces degrés de liberté afin d'améliorer les performances tout en préservant la stabilité et la régulation de la tension. L'approche envisagée dans CASIMIR repose sur l'allocation dynamique de commande, qui décompose l'actionnement en trois composantes coordonnées : (i) un stabilisateur garantissant la régulation de la tension, (ii) un optimiseur répartissant les courants entre les différents ports afin de minimiser les pertes ou de satisfaire des critères secondaires, et (iii) un annihilateur garantissant que ces objectifs secondaires n'interfèrent pas avec la tâche principale de régulation.

Si de telles techniques sont bien établies pour les systèmes linéaires, leur extension aux systèmes non linéaires, tels que de nombreuses architectures de convertisseurs multiports, demeure largement inexplorée. La stratégie adoptée ici consiste à se concentrer, dans un premier temps, sur une topologie multiport bien maîtrisée, comme étape préalable à la généralisation de l'allocation dynamique de commande aux systèmes non linéaires.

Objectifs

La thèse vise à développer des stratégies dédiées d'allocation dynamique de commande pour deux architectures de convertisseurs multiports : les convertisseurs Boost en parallèle et le convertisseur à trois ports. Au-delà de l'assurance d'une répartition optimale des courants entre les différents ports tout en maintenant la régulation de la tension, la thèse a également pour objectif d'analyser les mécanismes à l'origine des degrés de liberté dans ces systèmes non linéaires. Cette compréhension servira à l'élaboration d'un cadre général pour l'allocation dynamique de commande, en particulier pour la conception systématique de la composante annihilatrice. Le travail est structuré autour des tâches suivantes : - Construire et valider un modèle dynamique non linéaire des deux architectures de convertisseurs multiports. - Concevoir un stabilisateur assurant la régulation de la tension du bus DC, avec un accent particulier sur les méthodes basées sur Lyapunov. - Concevoir un optimiseur répartissant les courants entre les convertisseurs de manière à minimiser les pertes de conduction à l'état stationnaire. - Concevoir un annihilateur garantissant la préservation de l'objectif de régulation de la tension. - Valider les schémas complets d'allocation dynamique de commande par des simulations sous MATLAB/Simulink et par des expérimentations, en comparant leurs performances à celles de stratégies de commande standard (par exemple, commande de tension basée sur des régulateurs PI, commande par droop). Le banc expérimental sera partiellement développé par le candidat dans le cadre de la thèse. - Comparer les performances des stratégies d'allocation dynamique de commande par rapport aux approches existantes issues de la communauté de l'électronique de puissance.

En fonction des intérêts et de l'avancement du candidat, une orientation de recherche complémentaire consistera à explorer les propriétés de passivité des convertisseurs multiports au niveau de leurs ports d'interconnexion. L'objectif est d'étudier comment ces propriétés peuvent être exploitées pour améliorer la stabilité et les performances de l'ensemble des micro-réseaux DC à travers des techniques de commande basées sur la passivité.

Ce travail se situe à l'interface entre la théorie de la commande non linéaire, l'électronique de puissance et les systèmes énergétiques.