WO2020188189A1 - Convertisseur électrique, notamment pour une intégration dans un vehicule électrique - Google Patents

Convertisseur électrique, notamment pour une intégration dans un vehicule électrique Download PDF

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WO2020188189A1
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correction
transformed
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PCT/FR2020/050510
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Mustapha Debbou
David Frey
Seddik Bacha
Nisith BHOWMICK
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Definitions

  • the invention relates generally to the field of electric power converters and in particular those which can be integrated into electric chargers for recharging electric traction batteries of electric and hybrid vehicles. More particularly, the invention relates to an electrical power converter, in particular of the AC / DC type, connected to an AC network or power source exposed to an imbalance of phase currents. The invention also relates to an isolated reversible electric charger equipped with this converter.
  • Electric recharging systems must be designed within the framework of future intelligent electric energy transport networks, known as “Smart Grid” in English, so as to optimize the cost and the energy balance, the carbon footprint and the availability of vehicles. electric.
  • Smart Grid in English
  • electrical charging systems must be reversible in order to allow the grid not only to provide electrical energy for recharging the vehicle's traction battery, but also, in a so-called mode. “V2G”, to draw available energy from it to meet strong demand, for example, during a peak in electricity consumption from the network.
  • the infrastructure and management of the electricity grid will have to adapt to the massive influx of electric vehicle fleets, as well as the various constraints and services that the arrival of these vehicles may impose.
  • Electric recharging systems must be designed in such a way that they can operate with possible imbalances in the electricity network. In addition, they must meet the requirements relating to the safety of people and electrical installations, as well as the constraints imposed by the electrical network, such as those related to the power factor, harmonics, and constraints related to disturbances. electromagnetic.
  • a reversible electric recharging system of the type used for an electric vehicle comprises a reversible alternating current / direct current converter, called an “AC / DC converter”, connected to the AC power supply network and a reversible current converter.
  • direct current / direct current called “DC / DC converter”
  • the DC / DC converter is typically made in the form of a double active bridge called “DAB” (for "Dual Active Bridge” in English).
  • DAB double Active Bridge
  • the active double bridge includes an electrical isolation transformer arranged between a first switching bridge and a second switching bridge.
  • the reversible converter is typically at several voltage levels and operates in so-called “SPWM” modulation (for “Sinusoidal Power Width Modulation”) with a switching frequency of between approximately 10 kHz and 50 kHz.
  • the converter switching bridges and the active double bridge use electronic four-quadrant switches for reversible operation of the electric charging system.
  • MOSFET-type power transistors formed from large-gap materials, such as SiC or GaN, are advantageously used for these electronic switches. This is because large-gap power switching components exhibit higher voltage withstand, as well as conduction and switching losses which are lower than those of traditional components formed from silicon. In addition, they can operate at higher switching frequencies, compared to silicon components, and exhibit better temperature resistance.
  • the use of these large gap components operating at high frequency, typically at 100 kHz makes it possible to choose an electrical isolation transformer of smaller size, therefore less bulky and less heavy.
  • the imbalance of the electrical phases is due to an unbalanced multiphase electrical supply network, to an unbalanced load due to a poor distribution of this on each of the electrical phases or to a network combination. and unbalanced load.
  • the classic PI correction controller can generally obtain good results in terms of regulation of the DC voltage of the AC / DC converter.
  • the performance of the conventional controller is sometimes insufficient.
  • the adjustment of the gain of the PI correction can pose difficulties with the presence of harmonics. Residual voltage ripples can then be established in a steady state. In an electric charging system, it is advisable to limit the ripples of the DC voltage used for battery charging, as these require large and expensive sizing of DC buses and are detrimental to battery life.
  • the object of the present invention is to respond at least to a large extent to the problem of imbalance presented above, by providing an AC / DC converter capable of being connected to an AC network or power supply source exposed to an imbalance of the currents. phase.
  • the invention relates to a reversible AC / DC converter capable of being connected to a three-phase electrical network, of the clamped neutral point type, called NPC, comprising a capacitive branch formed of first and second capacitors connected in series and having a capacitive midpoint determining a neutral voltage reference, and a differential voltage between the first and second voltages present at the terminals of the first and second capacitors being representative of an imbalance measurement in the converter.
  • NPC clamped neutral point type
  • the reversible AC / DC converter comprises a control controller allowing independent control of the active and reactive power and of the phase current imbalance, the controller being of the vector control type and comprising vector transformation means DQ0 a phase current vector measured into a transformed measured current vector, means for correcting a transformed error vector deduced from a difference between a transformed reference current vector and the transformed measured current vector, means for inverse vector transformation DQ0 of a corrected transformed error vector supplied by the correction means into a corrected error vector, and means for generating switching control signals intended for the converter as a function of the vector of corrected error, and the correction means comprising at least one resonant corrector providing a first correction of an alter component native of the transformed error vector representative of a neutral current and of the phase current imbalance, and the correction means comprising additional means ensuring a additional correction of the first component based on the imbalance measurement in the converter.
  • the controller being of the vector control type and comprising vector transformation means DQ0 a phase current vector measured into a transformed measured current vector, means for correcting a
  • the additional means comprise a proportional gain adjustment module ensuring a proportional gain adjustment of the additional correction.
  • the correction means also comprise a first proportional-integral corrector ensuring a proportional-integral correction of an active component of the transformed error vector, the active component being relative to an active electric power.
  • the correction means also comprise a second proportional-integral corrector ensuring a proportional-integral correction of a reactive component of the transformed error vector, the reactive component being relative to a reactive electric power.
  • the means for generating switching control signals comprise a control module for an electrical converter with SPWM modulation.
  • the invention also relates to an isolated reversible electric charger comprising a reversible AC / DC converter as described briefly above, as well as a reversible DC / DC converter incorporating an electrical isolation transformer.
  • the reversible DC / DC converter of the aforementioned electric charger comprises a first switching assembly having first and second switching bridges connected to the capacitive midpoint and the electrical isolation transformer comprises first and second windings of primary type connected respectively to the first and second switching bridges. It will be noted that the strategy for controlling the first and second switching bridges takes into account the correction of the ripples of the direct voltage.
  • the invention also relates to an electrified vehicle comprising an insulated reversible electric charger as described briefly above.
  • FIG. 1 is a block block diagram of an AC / DC converter incorporating a controller according to the present invention
  • FIG. 2 is a simplified electric diagram of an exemplary embodiment of an isolated reversible electric charger incorporating an AC / DC converter equipped with a controller according to the invention.
  • FIG. 1 a particular embodiment 1 of an AC / DC converter incorporating a CAC / DC controller according to the present invention is now described.
  • the AC / DC converter 1 is configured to convert a three-phase electrical voltage coming from the electrical phases 11a, Ub, Uc of a network, or source, of electrical power supply RE into a direct voltage VDC, present on direct voltage terminals BD + , BD- from the converter.
  • the AC / DC converter 1 comprises in particular a power switching bridge 1 0 and the CAC / DC controller.
  • the power switching bridge 10 is connected to the electrical network RE through an inductive line filter 1 1.
  • the power switching bridge 10 provides the DC voltage terminals BD +, BD- of the AC / DC converter 1.
  • the power switching bridge 10 is a switching bridge with three switching branches, comprising electronic switches typically based on power transistors of the MOSFET or IGBT type with large gap semiconductor.
  • the AC / DC converter 1 also includes a capacitive branch 12 formed by a balanced bridge of two filter capacitors 120H and 120L connected in series.
  • the filter capacitors 1 20H and 1 20L have substantially equal capacities and are connected in series between the DC voltage terminals BD +, BD- of the AC / DC converter 1.
  • the capacitive branch 12 comprises a midpoint PM, for connecting the capacitors, which defines a neutral voltage reference.
  • the midpoint PM is connected to a neutral N of the electrical network RE.
  • the filter capacitors 120H and 120L supply between their terminals direct voltages VH and VL, respectively, the sum of which is equal to the direct voltage VDC of the AC / DC converter 1.
  • the voltages VH, VL, taken at the terminals of the filter capacitors 1 20H, 1 20L, are supplied as input to the CAC / DC controller.
  • the CAC / DC controller is typically a microcontroller in which is implanted a firmware performing the various calculation functions which are necessary to determine a plurality of switching control signals SC to be applied to the power switching bridge 10. These calculation functions are implemented by means of software modules which are detailed below in the description.
  • the CAC / DC controller performs closed loop control of the AC / DC converter 1.
  • the CAC / DC controller receives as input setpoints I RCJ, iRq and I RO, phase currents la, lb and measured, flowing respectively in the electrical phases U a , Ub and Uc of the network RE, and the voltages VH and VL have capacitors 120H, 120L at the terminals.
  • the CAC / DC controller outputs the switching control signals SC which are supplied to the power switching bridge 10 for the control of the electronic switches thereof.
  • the CAC / DC controller includes a COD conversion module 13, 14d correction modules, q 14 and 14o, a COD inverse transform module 15, a converter control module modulation SPWM 16 , subtracters 17d modules 17 q, 17o and 18, a proportional gain setting unit 19 and a summing module 20.
  • the DQO transformation module 13 applies a so-called “DQO” or “DQZ” transformation (for “Direct Quadrature Zero”) to a current vector labc having components equal to the phase currents la, lb and the measured.
  • the DQO transformation is known to those skilled in the art and will not be described in detail here. Briefly, the DQO transformation is a spatial vector transformation of three-phase time signals from a stationary phase coordinate system A, B and C, denoted ABC below, to a rotating coordinate system D, Q, and 0, denoted DQO.
  • the DQO transformation keeps the power values invariable when passing from one coordinate system to another and has the advantage of facilitating vector control calculations in the field of electrical power conversion.
  • the components ld and l q are representative of the active and reactive components of the current vector.
  • the lo component is an AC component which represents the neutral current. With three-phase currents la, lb and le balanced, the component lo of the transformed current vector is equal to zero. The lo component is therefore representative of an imbalance of the electrical phases.
  • Ed errors, q E and Eo are input to the correction modules 14d, 14 q and 14o, respectively.
  • the correction modules 14d and 14 q are digital PI (proportional-integral) correctors which each apply a proportional and integral correction to the errors Ed and E q , respectively. Corrected errors Ed- Pi and E q-Pi are delivered respectively by the correction modules 14d and 14 q .
  • the correction module 14o is a digital corrector of the resonant type, called PR (for “Proportional-Resonant”) by those skilled in the art.
  • PR for “Proportional-Resonant”
  • This type of PR corrector offers the advantage of a correction with a large gain on a particular frequency which is the resonant frequency of the corrector.
  • the simulations and tests carried out by the inventive entity have shown an interest in introducing such a correction on the error Eo, given the interesting results it provides on the performance of the control.
  • a corrected error EO- P r is output from the correction module 14o.
  • the differential voltage AVHL is calculated by the subtractor module 18.
  • a non-zero differential voltage AVHL is representative of a phase current imbalance.
  • the invention provides for taking into account the information provided by the differential voltage AVHL for correcting any imbalance.
  • the differential voltage AVHL is corrected by the module 19 which applies a proportional gain Kp to it and the value obtained is added to the corrected error Eo- P r in the summing module 20.
  • the summing module 20 outputs a total corrected error. EO-T.
  • a corrected error vector Ed q o (Ed-pi, E qP i, EO-T) in the DQ0 system is thus obtained.
  • the corrected error vector Edqo is supplied as input to the inverse dqO transformation module 15.
  • the inverse dqO transformation module 15 applies an inverse dqO transformation to the corrected error vector Edqo and outputs a corrected error vector Eabc in the system ABC.
  • the SPWM modulating converter driver module 16 receives the corrected error vector Eabc as input and determines the SC switching control signals to be applied to the power switching bridge 10 in accordance with a defined SPWM modulation strategy.
  • the CAC / DC controller allows full control of the AC / DC converter 1.
  • the current setpoint vector lRdqo (I Rd, IR q , I RO) to control the operation of the AC / DC converter 1 in a fine way with the components iRd and iRq to control the active and reactive powers. and, with the IRO component to correct the level of current imbalance.
  • FIG.2 there is described below, by way of example, a particular embodiment of an isolated reversible electric charger CER in which is integrated a controller according to the invention.
  • the reversible electric charger CER is configured to convert a three-phase electric voltage coming from the electric phases Ua, Ub and Uc of an electric network (not shown) into a direct voltage VDCS, present on direct voltage terminals BS +, BS-, and usable for charging an electric vehicle battery, or for converting the direct voltage VDCS present on the direct voltage terminals BS +, BS-, and coming from the electric vehicle battery into a three-phase electric voltage that can be re-injected into the electric network.
  • the isolated reversible electric charger CER essentially comprises a reversible AC / DC converter 3 and a reversible DC / DC converter 4.
  • the operation of the AC / DC converter 3 is controlled by a controller 30 according to the invention which delivers switching control signals. SC1 for the bridge converter power switching.
  • the operation of the DC / DC converter 4 is controlled by another controller 40 which delivers other switching control signals SC2 and SC3 intended respectively for a first switching assembly 41 and a second switching assembly 42 of the converter.
  • the two controllers 30 and 40 of the charger CER can be integrated into a single controller, for example of the microcontroller type.
  • the AC / DC converter 3 is here a conversion stage with several voltage levels, called “multilevel”, having an architecture of the NPC (for “Neutral Point Clamped”) type with four branches.
  • the AC / DC converter 3 has power factor correction and operates as a rectifier in a first direction of conversion and as an inverter in a second direction of conversion.
  • the AC / DC converter 3 is electrically connected to the electrical phases Ua, Ub and Uc and to the neutral N of the electrical network through an inductive line filter Fl.
  • the AC / DC converter 3 comprises three phase switching branches 31 a, 31 b and 31 c, which are connected to the three electrical phases Ua, Ub and Uc, respectively.
  • the AC / DC converter 3 also comprises a neutral correction device 32.
  • the neutral correction device 32 comprises a capacitive balanced bridge formed of two filter capacitors 320H and 320L connected in series, a correction switching branch 32n neutral arranged in parallel with the phase switching branches 31a, 31b and 31c, and connection lines Ls and Lr.
  • the voltages Vm, Vu, present at the terminals of the capacitors 320H, 320L, are supplied as input to the controller 30 according to the invention for the measurement of the phase current imbalance.
  • the capacitive midpoint PM1 is electrically connected, via the connection lines Ls and Lr, to the electronic switches of the phase switching branches 31 a, 31 b, 31 c, and of the neutral correction switching branch 32n .
  • the neutral correction switching branch 32n is connected to the neutral line N of the electrical network at a common point Cn of the branch between the top and bottom electronic switches thereof.
  • the controller 30 controls all of the electronic switches of the branches 31 a, 31 b, 31 c and 32n in the manner described above in relation to Fig.1. To do this, the controller 30 applies the calculation processing described to the voltages Vm, Vu, the phase current vector labc and the current setpoint vector Idqo received at the input, so as to determine the switching control signals SC1 suitable for controlling electronic switches.
  • the reversible DC / DC converter 4 comprises an electrical isolation transformer 43.
  • the electrical isolation transformer 43 has a double primary winding W1 H and W1 L, and a secondary winding W2.
  • the first switching assembly 41 comprises two active bridges 41 H and 41 L connected respectively, on the DC voltage side, to high and low sections, called “High Side” and “Low Side”, of the reversible AC / DC converter 3.
  • the active bridge 41 H is connected to the terminals of the filter capacitor 320H and the active bridge 41 L is connected to the terminals of the filter capacitor 320L.
  • the active bridge 41 H is connected to the terminals of the filter capacitor 320H and the active bridge 41 L is connected to the terminals of the filter capacitor 320L.
  • the active bridges 41 H and 41 L are therefore both connected to the capacitive midpoint PM1.
  • the active bridges 41 H and 41 L are connected respectively, on the AC voltage side, to the primary windings W1 H and W1 L of the transformer 43.
  • the active bridges 41 H and 41 L are driven by the switching control signals SC2.
  • the second switching assembly 42 is formed by an active bridge connected, on the AC voltage side, to the secondary winding W2 of the transformer 43.
  • the active bridge is formed by an active bridge connected, on the AC voltage side, to the secondary winding W2 of the transformer 43.
  • the active bridge 42 is driven by the switching control signals SC3.
  • the active bridge 42 provides the terminals BS + and BS- between which the direct voltage VDCS is available.
  • the architecture of the reversible isolated electric charger CER with the two active bridges 41 H, 41 L, of the DC / DC converter 4 makes it possible to reduce the voltage constraints on the electronic switches of these bridges. This results in a possible increase in the switching frequency of these bridges and correspondingly a reduction in the volume and weight of the electrical insulation transformer.
  • the integration of the controller 30 according to the invention in the reversible isolated electric charger CER allows active power control, reactive power control and correction of a current imbalance.
  • the invention enables control of the average currents flowing through the inductive line filter in order to optimize the electrical isolation transformer.

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Abstract

Le convertisseur est un convertisseur AC/DC du type à point neutre clampé, dit NPC, et comprend une branche capacitive (12, 120H, 120L) formée de deux condensateurs reliés en série et ayant un point milieu capacitif déterminant une référence de tension de neutre, une tension différentielle entre des tensions (VH, VL) présentes aux bornes des condensateurs (320H, 320L) étant représentative d'une mesure de déséquilibre dans le convertisseur. Le convertisseur comporte un contrôleur à commande vectorielle intégrant un correcteur résonnant (140) assurant une première correction (PR) d'une composante alternative (E0) d'un vecteur d'erreur transformé représentative d'un courant de neutre et d'un déséquilibre de courants de phase et des moyens supplémentaires (18, 19, 20) assurant une correction additionnelle de la composante alternative (E0-pr) sur la base d'une mesure (∆VHL) du déséquilibre dans le convertisseur.

Description

Description
Titre de l'invention : CONVERTISSEUR ÉLECTRIQUE, NOTAMMENT POUR UNE
INTÉGRATION DANS UN VEHICULE ÉLECTRIQUE
La présente invention revendique la priorité de la demande française 1902824 déposée le 19 mars 2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
L’invention concerne de manière générale le domaine des convertisseurs électriques de puissance et notamment ceux intégrables dans les chargeurs électriques pour la recharge des batteries électrique de traction des véhicules électriques et hybrides. Plus particulièrement, l’invention se rapporte à un convertisseur électrique de puissance, notamment de type AC/DC, connecté à un réseau ou source d’alimentation électrique alternative exposé à un déséquilibre des courants de phase. L’Invention se rapporte aussi à un chargeur électrique réversible isolé équipé de ce convertisseur.
Dans le domaine des transports, l’industrie automobile est soumise à des normes d’émission de rejets polluants très contraignantes qui conduisent à une véritable mutation technologique afin de réduire notamment les émissions de C02. La propulsion électrique des véhicules est perçue comme une réponse viable aux enjeux environnementaux. Cependant, le déploiement des véhicules électriques est freiné par la capacité de stockage électrique des batteries qui limite leur autonomie de roulage. Un effort particulier de recherche et développement est porté actuellement sur les systèmes de recharge électrique statiques, lents et rapides, et les systèmes de recharge sans contact notamment les systèmes de recharge dynamique à induction magnétique. En effet, l’adoption des véhicules électriques comme moyen de transport de demain passe par la disponibilité de systèmes de recharge électrique sûrs, économiques, efficaces énergétiquement et qui soient d’une utilisation aisée pour les personnes.
Les systèmes de recharge électrique doivent être pensés dans le cadre des futurs réseaux intelligents de transport d’énergie électrique, dits « Smart Grid » en anglais, de manière à optimiser le coût et le bilan énergétique, l’empreinte carbone et la disponibilité des véhicules électriques. Dans le contexte d’un réseau électrique intelligent, les systèmes de recharge électrique doivent être réversibles afin de permettre au réseau, non seulement de fournir l’énergie électrique pour la recharge de la batterie de traction du véhicule, mais aussi, dans un mode dit « V2G », de puiser de l’énergie disponible dans celle-ci pour répondre à une forte demande, par exemple, lors d’une pointe de consommation électrique du réseau.
L’infrastructure et la gestion du réseau électrique devront s’adapter à l’arrivée massive de flottes de véhicules électriques, ainsi qu’aux diverses contraintes et aux différents services que peuvent imposer l’arrivée de ces véhicules.
Les systèmes de recharge électrique doivent eux être conçus de façon à pouvoir fonctionner avec d’éventuels déséquilibres du réseau électrique. Par ailleurs, ils se doivent de répondre aux exigences relatives à la sécurité des personnes et des installations électriques, ainsi qu’aux contraintes imposées par le réseau électrique, telles que celles liées au facteur de puissance, aux harmoniques, et aux contraintes liées aux perturbations électromagnétiques. De manière classique, un système de recharge électrique réversible du type utilisé pour un véhicule électrique comprend un convertisseur réversible de courant alternatif / courant continu, dit « convertisseur AC/DC », relié au réseau électrique alternatif d’alimentation et un convertisseur réversible de courant continu / courant continu, dit « convertisseur DC/DC », relié aux batteries électriques de traction du véhicule.
Le convertisseur DC/DC est typiquement réalisé sous la forme d’un double pont actif dit « DAB » (pour « Dual Active Bridge » en anglais). Pour des raisons de sécurité, le double pont actif comprend un transformateur d’isolation électrique disposé entre un premier pont de commutation et un deuxième pont de commutation.
Le convertisseur réversible est typiquement à plusieurs niveaux de tension et fonctionne en modulation dite « SPWM » (pour « Sinusoïdal Puise Width Modulation » en anglais) avec une fréquence de découpage comprise entre 10 kHz et 50 kHz environ.
Les ponts de commutation du convertisseur et du double pont actif font appel à des interrupteurs électroniques à quatre quadrants, pour un fonctionnement réversible du système de recharge électrique. Des transistors de puissance de type MOSFET, formés à partir de matériaux à grand gap, tels que le SiC ou le GaN, sont avantageusement utilisés pour ces interrupteurs électroniques. En effet, les composants de commutation de puissance à grand gap présentent une tenue en tension plus élevée, ainsi que des pertes de conduction et de commutation qui sont plus faibles que celles des composants traditionnels formés à partir de silicium. De plus, ils peuvent fonctionner à des fréquences de commutation plus élevée, comparativement aux composants en silicium, et présentent une meilleure tenue en température. L’usage de ces composants à grand gap opérant à haute fréquence, typiquement à 100 kHz, permet de choisir un transformateur d’isolation électrique de plus petite dimension, donc moins encombrant et moins lourd.
De manière générale, dans un circuit électrique multiphasé, le déséquilibre des phases électriques est dû à un réseau d’alimentation électrique multiphasé déséquilibré, à une charge déséquilibrée par une mauvaise répartition de celle-ci sur chacune des phases électriques ou à une combinaison de réseau et de charge déséquilibrés.
Dans un convertisseur AC/DC relié à un réseau électrique triphasé, il est connu d’utiliser un contrôleur intégrant une correction de type dit « PI » (pour « Proportionnelle-Intégrale ») dans une boucle de régulation, pour la génération des signaux de commande de commutation du convertisseur AC/DC.
Lorsque le réseau électrique est équilibré et que les harmoniques sont limitées, le contrôleur classique à correction PI permet généralement d’obtenir de bons résultats en termes de régulation de la tension continue du convertisseur AC/DC. Par contre, lorsque le réseau électrique est déséquilibré, avec la présence d’harmoniques, les performances du contrôleur classique s’avèrent parfois insuffisantes. Le réglage du gain de la correction PI peut poser des difficultés avec la présence des harmoniques. Des ondulations résiduelles de tension peuvent alors s’établir en régime permanent. Dans un système de recharge électrique, il convient de limiter les ondulations de la tension continue utilisée pour la charge de la batterie, car celles-ci exigent un dimensionnement volumineux et coûteux des bus de courant continu et sont préjudiciables à la durée de vie de la batterie.
L'article " Proportional plus résonant control for active power filter in unbalanced System ", de Santiprapan Phonsit et al., présenté lors de "2017 INTERNATIONAL ELECTRICAL ENGINEERING CONGRESS (IEECON)" et publié le 8 mars 2017 par IΊEEE, pages 1 à 4, décrit des essais réalisés dans un convertisseur électrique muni d’un contrôleur proportionnel résonnant, dans des conditions de charge dynamique. Ces essais montrent de bonnes performances obtenues avec le contrôleur proportionnel résonnant lorsque le réseau d’alimentation électrique triphasé est déséquilibré.
L’article « Sélective Harmonie Elimination Puise Width Modulation » de Mohammad Sharifzade et al., présenté lors du « 23rd International Symposium on Industrial Electronics (ISIE) » et publié par IΊEEE, 2014, pages 2167-2172 propose une architecture de convertisseur AC/DC du type N PC pour un système de recharge électrique réversible relié à un réseau électrique alternatif d’alimentation à trois fils de phase et un fil de neutre. Une telle architecture offre des perspectives intéressantes en termes de contrôle du facteur de puissance, de suppression des harmoniques et de fonctionnement avec différentes dynamiques et des déséquilibres du réseau électrique.
La présente invention a pour objet de répondre au moins en grande partie à la problématique de déséquilibre présentée ci-dessus, en fournissant un convertisseur AC/DC apte à être connecté à un réseau ou source d’alimentation électrique alternatif exposé à un déséquilibre des courants de phase.
Selon un premier aspect, l’invention concerne un convertisseur AC/DC réversible apte à être connecté à un réseau électrique triphasé, du type à point neutre clampé, dit NPC, comprenant une branche capacitive formée de premier et deuxième condensateurs reliés en série et ayant un point milieu capacitif déterminant une référence de tension de neutre, et une tension différentielle entre des première et deuxième tensions présentes aux bornes des première et deuxième condensateurs étant représentative d’une mesure de déséquilibre dans le convertisseur. Conformément à l’invention, le convertisseur AC/DC réversible comprend un contrôleur de commande autorisant un contrôle indépendant des puissances active et réactive et du déséquilibre de courants de phase, le contrôleur étant du type à commande vectorielle et comprenant des moyens de transformation vectorielle DQ0 d’un vecteur de courant de phase mesuré en un vecteur de courant mesuré transformé, des moyens de correction d’un vecteur d’erreur transformé déduit d’une différence entre un vecteur de courant de consigne transformé et le vecteur de courant mesuré transformé, des moyens de transformation vectorielle DQ0 inverse d’un vecteur d’erreur transformé corrigé fourni par les moyens de correction en un vecteur d’erreur corrigé, et des moyens de génération de signaux de commande de commutation destinés au convertisseur en fonction du vecteur d’erreur corrigé, et les moyens de correction comprenant au moins un correcteur résonnant assurant une première correction d’une composante alternative du vecteur d’erreur transformé représentative d’un courant de neutre et du déséquilibre de courants de phase, et les moyens de correction comprenant des moyens supplémentaires assurant une correction additionnelle de la première composante sur la base de la mesure de déséquilibre dans le convertisseur.
Selon une autre caractéristique particulière, les moyens supplémentaires comprennent un module de réglage de gain proportionnel assurant un réglage de gain proportionnel de la correction additionnelle.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de correction comprennent également un premier correcteur proportionnel-intégral assurant une correction proportionnelle-intégrale d’une composante active du vecteur d’erreur transformé, la composante active étant relative à une puissance électrique active.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de correction comprennent également un deuxième correcteur proportionnel-intégral assurant une correction proportionnelle-intégrale d’une composante réactive du vecteur d’erreur transformé, la composante réactive étant relative à une puissance électrique réactive.
Selon encore une autre caractéristique particulière, les moyens de génération de signaux de commande de commutation comprennent un module de pilotage de convertisseur électrique à modulation SPWM.
Selon un autre aspect, l’invention concerne aussi un chargeur électrique réversible isolé comprenant un convertisseur AC/DC réversible tel que décrit brièvement ci- dessus, ainsi qu’un convertisseur DC/DC réversible intégrant un transformateur d’isolation électrique.
Selon une forme de réalisation particulière, le convertisseur DC/DC réversible du chargeur électrique susmentionné comprend un premier ensemble de commutation ayant des premier et deuxième ponts de commutation reliés au point milieu capacitif et le transformateur d’isolation électrique comprend des premier et deuxième enroulements de type primaire reliés respectivement aux premier et deuxième ponts de commutation. On notera que la stratégie de commande des premier et deuxième ponts de commutation prend en compte la correction des ondulations de la tension continue.
L’invention concerne aussi un véhicule électrifié comprenant un chargeur électrique réversible isolé tel que décrit brièvement ci-dessus.
D’autres avantages et caractéristiques de la présente invention apparaîtront plus clairement à la lecture de la description détaillée ci-dessous de plusieurs formes de réalisation particulières de l’invention en référence aux dessins annexés, dans lesquels : la Fig.1 est un bloc-diagramme de principe d’un convertisseur AC/DC incorporant un contrôleur selon la présente invention ; et la Fig.2 est un schéma électrique simplifié d’un exemple de réalisation d’un chargeur électrique réversible isolé incorporant un convertisseur AC/DC équipé d’un contrôleur selon l’invention. En référence à la Fig.1 , il est maintenant décrit une forme de réalisation particulière 1 d’un convertisseur AC/DC incorporant un contrôleur CAC/DC selon la présente invention.
Le convertisseur AC/DC 1 est configuré pour convertir une tension électrique triphasée provenant des phases électriques lia, Ub, Uc d’un réseau, ou source, d’alimentation électrique RE en une tension continue VDC, présente sur des bornes de tension continue BD+, BD- du convertisseur.
Comme montré à la Fig.1 , le convertisseur AC/DC 1 comprend notamment un pont de commutation de puissance 1 0 et le contrôleur CAC/DC.
Le pont de commutation de puissance 10 est relié au réseau électrique RE à travers un filtre inductif de ligne 1 1 . Le pont de commutation de puissance 10 procure les bornes de tension continue BD+, BD- du convertisseur AC/DC 1 .
Dans cet exemple de réalisation, le pont de commutation de puissance 10 est un pont de commutation à trois branches de commutation, comprenant des interrupteurs électroniques basés typiquement sur des transistors de puissance de type MOSFET ou IGBT à semiconducteur à grand gap.
Le convertisseur AC/DC 1 comprend également une branche capacitive 12 formée d’un pont équilibré de deux condensateurs de filtrage 120H et 120L connectés en série.
Les condensateurs de filtrage 1 20H et 1 20L ont des capacités sensiblement égales et sont connectés en série entre les bornes de tension continue BD+, BD- du convertisseur AC/DC 1 . La branche capacitive 12 comprend un point milieu PM, de connexion des condensateurs, qui définit une référence de tension de neutre. Le point milieu PM est relié à un neutre N du réseau électrique RE.
Les condensateurs de filtrage 120H et 120L fournissent entre leurs bornes des tensions continues VH et VL, respectivement, dont la somme est égale à la tension continue VDC du convertisseur AC/DC 1 . Les tensions VH, VL, prélevées aux bornes des condensateurs de filtrage 1 20H, 1 20L, sont fournies en entrée au contrôleur CAC/DC.
Le contrôleur CAC/DC est typiquement un microcontrôleur dans lequel est implanté un microprogramme réalisant les différentes fonctions de calcul qui sont nécessaires pour déterminer une pluralité de signaux de commande de commutation SC à appliquer au pont de commutation de puissance 10. Ces fonctions de calcul sont implémentées au moyen de modules logiciels qui sont détaillés plus bas dans la description.
Le contrôleur CAC/DC réalise une commande en boucle fermée du convertisseur AC/DC 1 .
Le contrôleur CAC/DC reçoit en entrée des consignes I RCJ, iRq et I RO, des courants de phase la, lb et le mesurés, circulant respectivement dans les phases électriques Ua, Ub et Uc du réseau RE, et les tensions VH et VL présentent aux bornes des condensateurs 120H, 120L. Le contrôleur CAC/DC délivre en sortie les signaux de commande de commutation SC qui sont fournis au pont de commutation de puissance 10 pour la commande des interrupteurs électroniques de celui-ci. Comme visible à la Fig.1 , le contrôleur CAC/DC comprend un module de transformation dqO 13, des modules de correction 14d, 14q et 14o, un module de transformation dqO inverse 15, un module de pilotage de convertisseur à modulation SPWM 16, des modules soustracteurs 17d, 17q, 17o et 18, un module de réglage de gain proportionnel 19 et un module sommateur 20.
Le module de transformation DQO 13 applique une transformation dite « DQO » ou « DQZ » (pour « Direct Quadrature Zéro » en anglais) sur un vecteur de courant labc ayant des composantes égales aux courants de phase la, lb et le mesurés.
La transformation DQO est connue de l’homme du métier et ne sera pas décrite ici en détail. Brièvement, la transformation DQO est une transformation vectorielle spatiale de signaux temporels triphasés d’un système de coordonnées de phase stationnaire A, B et C, noté ABC ci-après, vers un système de coordonnées tournant D, Q et 0, noté DQO. La transformation DQO conserve les valeurs de puissance invariées en passant d’un système de coordonnées à l’autre et présente l’avantage de faciliter les calculs de commande vectorielle dans le domaine de la conversion électrique de puissance.
Ainsi, le module de transformation DQO 13 transforme le vecteur de courant labc = (la, lb et le) en un vecteur de courant transformé ldqo = (ld, lq et lo) ayant les composantes ld, lq et lo dans le système DQO. Les composantes ld et lq sont représentatives des composantes active et réactive du vecteur de courant. La composante lo est une composante alternative qui représente le courant de neutre. Avec des courants triphasés la, lb et le équilibrés, la composante lo du vecteur de courant transformé est égale à zéro. La composante lo est donc représentative d’un déséquilibre des phases électriques.
Les modules soustracteurs 1 7d, 17q et 1 7o calculent un vecteur d’erreur Edqo= (Ed, Eq, Eo) entre le vecteur de courant mesuré ldqo= (ld, lq et lo) et un vecteur de consigne de courant lRdqo= (iRd, I Rq, I RO) .
Les erreurs Ed, Eq et Eo sont fournies en entrée aux modules de correction 14d, 14q et 14o, respectivement.
Les modules de correction 14d et 14q sont des correcteurs numériques PI (proportionnel-lntégral) qui appliquent chacun une correction proportionnelle et intégrale sur les erreurs Ed et Eq, respectivement. Des erreurs corrigées Ed-Pi et Eq-Pi sont délivrées respectivement par les modules de correction 14d et 14q.
Le module de correction 14o est un correcteur numérique de type résonnant, dit PR (pour « Proportionnel-Résonnant ») par l’homme du métier. Ce type de correcteur PR offre l’avantage d’une correction avec un gain important sur une fréquence particulière qui est la fréquence de résonnance du correcteur. Les simulations et essais réalisés par l’entité inventive ont mis en évidence un intérêt à introduire une telle correction sur l’erreur Eo, compte-tenu des résultats intéressants qu’elle procure sur les performances de l’asservissement. Une erreur corrigée Eo-Pr est délivrée par le module de correction 14o. La commande asservie réalisée par le contrôleur CAC/DC prend également en compte une tension différentielle AVHL=VH-VL entre les tensions VH et VL aux bornes des condensateurs 1 20H et 1 20L. La tension différentielle AVHL est calculée par le module soustracteur 18.
Une tension différentielle AVHL non nulle est représentative d’un déséquilibre des courants de phase. L’invention prévoit la prise en compte de l’information apportée par la tension différentielle AVHL pour la correction d’un éventuel de déséquilibre.
Ainsi, la tension différentielle AVHL est corrigée par le module 19 qui lui applique un gain proportionnel Kp et valeur obtenue est ajoutée à l’erreur corrigée Eo-Pr dans le module sommateur 20. Le module sommateur 20 délivre en sortie une erreur corrigée totale EO-T.
Un vecteur d’erreur corrigée Edqo= (Ed-pi, Eq-Pi, EO-T) dans le système DQ0 est ainsi obtenu. Le vecteur d’erreur corrigée Edqo est fourni en entrée au module de transformation dqO inverse 15.
Le module de transformation dqO inverse 15 applique une transformation dqO inverse au vecteur d’erreur corrigée Edqo et fournit en sortie un vecteur d’erreur corrigée Eabc dans le système ABC.
Le module de pilotage de convertisseur à modulation SPWM 16 reçoit en entrée le vecteur d’erreur corrigée Eabc et détermine les signaux de commande de commutation SC à appliquer au pont de commutation de puissance 10 en accord avec une stratégie de modulation SPWM définie.
On notera que le contrôleur CAC/DC selon l’invention autorise un contrôle total du convertisseur AC/DC 1 . Ainsi, il est possible avec le vecteur de consigne de courant lRdqo= ( I Rd, I Rq, I RO) de commander le fonctionnement du convertisseur AC/DC 1 de manière fine avec les composantes iRd et iRq pour contrôler les puissances active et réactive et, avec la composante IRO pour corriger le niveau de déséquilibre des courants.
En référence maintenant à la Fig.2, il est décrit ci-dessous, à titre d’exemple, une forme de réalisation particulière d’un chargeur électrique réversible isolé CER dans lequel est intégré un contrôleur selon l’invention.
Le chargeur électrique réversible CER est configuré pour convertir une tension électrique triphasée provenant des phases électriques Ua, Ub et Uc d’un réseau électrique (non représenté) en une tension continue VDCS, présente sur des bornes de tension continue BS+, BS-, et utilisable pour charger une batterie de véhicule électrique, ou pour convertir la tension continue VDCS présente sur les bornes de tension continue BS+, BS-, et provenant de la batterie de véhicule électrique en une tension électrique triphasée ré-injectable dans le réseau électrique.
Le chargeur électrique réversible isolé CER comprend essentiellement un convertisseur AC/DC réversible 3 et un convertisseur DC/DC réversible 4. Le fonctionnement du convertisseur AC/DC 3 est commandé par un contrôleur 30 selon l’invention qui délivre des signaux de commande de commutation SC1 pour le pont de commutation de puissance du convertisseur. Le fonctionnement du convertisseur DC/DC 4 est commandé par un autre contrôleur 40 qui délivre d’autres signaux de commande de commutation SC2 et SC3 destinés respectivement à un premier ensemble de commutation 41 et un deuxième ensemble de commutation 42 du convertisseur. On notera que les deux contrôleurs 30 et 40 du chargeur CER pourront être intégrés dans un seul contrôleur, par exemple, du type microcontrôleur.
Le convertisseur AC/DC 3 est ici un étage de conversion à plusieurs niveaux de tension, dit « multiniveaux », ayant une architecture du type NPC (pour « Neutral Point Clamped ») à quatre branches. Le convertisseur AC/DC 3 comporte une correction de facteur de puissance et fonctionne comme un redresseur dans un premier sens de conversion et comme un onduleur dans un deuxième sens de conversion.
Le convertisseur AC/DC 3 est connecté électriquement aux phases électriques Ua, Ub et Uc et au neutre N du réseau électrique à travers un filtre inductif de ligne Fl.
Le convertisseur AC/DC 3 comprend trois branches de commutation de phase 31 a, 31 b et 31 c, qui sont reliées aux trois phases électriques Ua, Ub et Uc, respectivement.
[0058] Le convertisseur AC/DC 3 comprend également un dispositif de correction de neutre 32. Le dispositif de correction de neutre 32 comporte un pont équilibré capacitif formé de deux condensateurs de filtrage 320H et 320L connectés en série, une branche de commutation de correction de neutre 32n agencée en parallèle avec les branches de commutation de phase 31 a, 31 b et 31 c, et des lignes de raccordements Ls et Lr.
Le point milieu capacitif PM1 entre les condensateurs de filtrage 320H, 320L, ayant des capacités sensiblement égales, définit une référence de tension de neutre. Les tensions Vm, Vu, présentes aux bornes des condensateurs 320H, 320L, sont fournies en entrée au contrôleur 30 selon l’invention pour la mesure du déséquilibre des courants de phase.
Le point milieu capacitif PM1 est relié électriquement, par l’intermédiaire des lignes de raccordement Ls et Lr, aux interrupteurs électroniques des branches de commutation de phase 31 a, 31 b, 31 c, et de la branche de commutation de correction de neutre 32n.
[0061 ] La branche de commutation de correction de neutre 32n est reliée à la ligne de neutre N du réseau électrique au niveau d’un point commun Cn de la branche entre des interrupteurs électroniques haut et bas de celle-ci.
Le contrôleur 30 pilote l’ensemble des interrupteurs électroniques des branches 31 a, 31 b, 31 c et 32n de la manière décrite plus haut en relation à la Fig.1 . Pour ce faire, le contrôleur 30 applique le traitement de calcul décrit sur les tensions Vm , Vu , le vecteur de courant de phase labc et le vecteur de consigne de courant Idqo reçus en entrée, de façon à déterminer les signaux de commande de commutation SC1 adaptés pour le pilotage des interrupteurs électroniques.
Outre les premier et deuxième ensembles de commutation 41 et 42, le convertisseur DC/DC réversible 4 comprend un transformateur d’isolation électrique 43. Le transformateur d’isolation électrique 43 comporte un double enroulement primaire W1 H et W1 L, et un enroulement secondaire W2. Le premier ensemble de commutation 41 comprend deux ponts actifs 41 H et 41 L reliés respectivement, du côté tension continue, à des sections haute et basse, dite « High Side » et « Low Side », du convertisseur AC/DC réversible 3.
Ainsi, le pont actif 41 H est connecté aux bornes du condensateur de filtrage 320H et le pont actif 41 L est connecté aux bornes du condensateur de filtrage 320L. Le pont actif
41 H et le pont actif 41 L sont donc connectés tous deux au point milieu capacitif PM1 . Les ponts actifs 41 H et 41 L sont reliés respectivement, du côté tension alternative, aux enroulements primaires W1 H et W1 L du transformateur 43. Les ponts actifs 41 H et 41 L sont pilotés par les signaux de commande de commutation SC2.
Le deuxième ensemble de commutation 42 est formé d’un pont actif relié, du côté tension alternative, à l’enroulement secondaire W2 du transformateur 43. Le pont actif
42 est piloté par les signaux de commande de commutation SC3. Le pont actif 42 procure les bornes BS+ et BS- entre lesquelles est disponible la tension continue VDCS.
L’architecture du chargeur électrique réversible isolé CER avec les deux ponts actifs 41 H, 41 L, du convertisseur DC/DC 4 permet de réduire les contraintes de tension sur les interrupteurs électroniques de ces ponts. Il en résulte un accroissement possible de la fréquence de commutation de ces ponts et corrélativement une réduction du volume et du poids du transformateur d’isolation électrique.
De plus, l’intégration du contrôleur 30 selon l’invention dans le chargeur électrique réversible isolé CER autorise un contrôle de la puissance active, un contrôle de la puissance réactive et une correction d’un déséquilibre des courants. En outre, l’invention autorise un contrôle des courants moyens traversant le filtre inductif de ligne afin d’optimiser le transformateur d’isolation électrique.
Bien entendu, l’invention ne se limite pas aux formes de réalisation particulières qui ont été décrites ici à titre d’exemple. L’homme du métier, selon les applications de l’invention, pourra apporter différentes modifications et variantes entrant dans le champ de protection de l’invention.

Claims

Revendications
1. Convertisseur AC/DC réversible (3) apte à être connecté à un réseau électrique triphasé, du type à point neutre clampé, dit NPC, comprenant une branche capacitive (32, 320H, 320L) formée de premier et deuxième condensateurs (320H, 320L) reliés en série et ayant un point milieu capacitif (PM1 ) déterminant une référence de tension de neutre, et une tension différentielle entre des première et deuxième tensions (Vm, Vu) présentes aux bornes desdits première et deuxième condensateurs (320H, 320L) étant représentative d’une mesure de déséquilibre dans ledit convertisseur, caractérisé en ce qu’il comprend un contrôleur de commande (30) autorisant un contrôle indépendant des puissances active et réactive et dudit déséquilibre de courants de phase, ledit contrôleur est du type à commande vectorielle et comprend des moyens de transformation vectorielle DQO (13) d’un vecteur de courant de phase mesuré (la, Ib, le) en un vecteur de courant mesuré transformé (ld, lq, lo), des moyens de correction (14d, 14q, 14o, 20) d’un vecteur d’erreur transformé (Ed, Eq, Eo) déduit d’une différence entre un vecteur de courant de consigne transformé (iRd, iRq, I RO) et ledit vecteur de courant mesuré transformé (ld, lq, lo), des moyens de transformation vectorielle DQO inverse (15) d’un vecteur d’erreur transformé corrigé (Ed-Pi, Eq-Pi, EO-T) fourni par lesdits moyens de correction (14d, 14q, 14o, 20) en un vecteur d’erreur corrigé (Eabc), et des moyens (16) de génération de signaux de commande de commutation destinés audit convertisseur en fonction dudit vecteur d’erreur corrigé (Eabc), et lesdits moyens de correction (14d, 14q, 14o, 20) comprenant au moins un correcteur résonnant (14o) assurant une première correction (PR, Eo-Pr) d’une composante alternative (E0) dudit vecteur d’erreur transformé (Ed, Eq, Eo) représentative d’un courant de neutre et dudit déséquilibre de courants de phase, et lesdits moyens de correction comprenant des moyens supplémentaires (18, 19, 20, AVHL) assurant une correction additionnelle de ladite composante alternative (Eo-Pr) sur la base de ladite mesure (AVHL) de déséquilibre dans ledit convertisseur.
2. Convertisseur AC/DC réversible selon la revendication 1 , caractérisé en ce que lesdits moyens supplémentaires (18, 19, 20, AVHL) comprennent un module de réglage de gain proportionnel (19) assurant un réglage de gain proportionnel de ladite correction additionnelle.
3. Convertisseur AC/DC réversible selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction (14d, 14q, 14o, 20) comprennent également un premier correcteur proportionnel-intégral (14d) assurant une correction proportionnelle-intégrale (PI) d’une composante active (Ed) dudit vecteur d’erreur transformé (Ed, Eq, Eo), ladite composante active (Ed) étant relative à une puissance électrique active.
4. Convertisseur AC/DC réversible selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que lesdits moyens de correction (14d, 14q, 14o, 20) comprennent également un deuxième correcteur proportionnel-intégral (14q) assurant une correction proportionnelle-intégrale (PI) d’une composante réactive (Eq) dudit vecteur d’erreur transformé (Ed, Eq, Eo), ladite composante réactive (Eq) étant relative à une puissance électrique réactive.
5. Convertisseur AC/DC réversible selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de génération de signaux de commande de commutation (16) comprennent un module de pilotage de convertisseur électrique à modulation SPWM.
6. Chargeur électrique réversible isolé (CER) comprenant un convertisseur AC/DC réversible (3) et un convertisseur DC/DC réversible (4) intégrant un transformateur d’isolation électrique (43), caractérisé en ce que ledit convertisseur AC/DC réversible (3) est un convertisseur AC/DC réversible selon l’une quelconque des revendications 1 à 5.
7. Chargeur électrique réversible isolé selon la revendication 6, dans lequel ledit convertisseur DC/DC réversible (4) comprend un premier ensemble de commutation (41 ) ayant des premier et deuxième ponts de commutation (41 H, 41 L) reliés audit point milieu capacitif (PM1 ) et ledit transformateur d’isolation électrique (43) comprend des premier et deuxième enroulements de type primaire (W1 H, W1 L) reliés respectivement auxdits premier et deuxième ponts de commutation (41 H , 41 L).
8. Véhicule électrifié caractérisé en ce qu’il comprend un chargeur électrique réversible isolé (CER) selon la revendication 6 ou 7.
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