Réseau de convertisseur moyenne tension // Medium Voltage Power Converter Array

La demande croissante d'électrification résultant des engagements de décarbonation dans le monde entier entraîne un changement radical dans la vision des réseaux électriques. De nouveaux systèmes doivent être développés et installés pour contrôler la circulation de l'énergie dans le réseau électrique et assurer le lien avec la production ou le stockage distribué, ou les réseaux à basse tension (par exemple 400V). Ces nouveaux dispositifs devront être connectés aux réseaux dits de « moyenne tension » (par exemple 20kV), pour atteindre les niveaux de puissance requis (plusieurs MVA). En outre, leur emplacement sera proche des unités de production et de stockage locales, souvent situées en zone urbaine, entraîne des exigences élevées en matière de compacité. Cependant, il n'est pas acceptable d'un point de vue économique de développer de tels systèmes au cas par cas, et il est nécessaire de développer une vision modulaire, basée sur des éléments standardisés, qui seront associés en série pour gérer la haute tension, ou en parallèle pour augmenter la capacité en courant. Le projet de thèse vise à développer un tel module élémentaire, dont la puissance, le courant et la tension devront être optimisés d'un point de vue technologique.
L'objectif sera de fournir une méthodologie complète de conception et d'optimisation de cette brique élémentaire. Des modèles devront être proposés pour tous les composants utilisés dans ce module standardisé. Des approches de modélisation basées sur la physique ou les données seront envisagées pour évaluer le volume du système (à minimiser), ses pertes en fonctionnement (qui seront une contrainte), ainsi que toutes les contraintes au niveau des composants. Une attention particulière sera accordée aux aspects de compatibilité électromagnétique (CEM). En raison de la commutation des dispositifs de puissance, des courants à haute fréquence sont créés, en particulier dans les applications à moyenne tension, en raison du dV/dt élevé qui génère des courants de terre non-intentionnels. Ces interférences électromagnétiques (EMI) doivent être atténuées, en utilisant soit des filtres, soit un contrôle précis de l'association des blocs élémentaires.
Tous les modèles (composants, pertes, CEM) doivent être validés sur des modules de puissance existants, et la méthodologie de conception doit être développée en étroite collaboration avec des experts du domaine. Le département d'ingénierie électrique du KIT a déjà développé un module élémentaire de 500kVA, qui pourrait être utilisé pour plusieurs validations. Le G2ELab possède une grande expertise en matière de CEM et a déjà proposé une méthodologie de conception générique pour les convertisseurs de puissance modulaires, pour les applications à très basse tension.
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The increasing demand in global electrification brought by decarbonation commitment around the world leads to a dramatic change in the vision of the electrical grids. New systems need to be developed and installed to control the power circulation in the electrical network, and provide the link with distributed production or storage, or Low Voltage grids (e.g. 400V). These new devices will have to be connected on the so-called 'Medium Voltage' grids (e.g. 20kV), to reach the requested power levels (several MVA). Additionally, their location will be close from local production and storage units, often situated in urban area, leading to high compactness requirements. However, it is not acceptable on an economic point of view to develop such systems on a case by case vision, and it is necessary to develop a modular vision, based on standardized elements, which will be associated in series to manage the High Voltage, or in parallel to increase current capability. This PhD project aims to develop such an elementary module, which power, current and voltage will have to be optimized from a technological point of view.
The objective will be to provide a full design methodology accounting for designing and optimizing this elementary brick. Models will have to be proposed for all components used in this standardized module. Physical- or data-based modelling approached will be considered, to evaluate the volume of the system (to be minimized), its losses during operation (which will be a constraint), as well as all constraints at components' level. A specific attention will be paid to the ElectroMagnetic Compatibility (EMC) aspects. Due to the switching of power device, High Frequency currents are created, especially in Medium Voltage applications, due to the high dV/dt which generate unintentional ground currents. These ElectroMagnetic Interferences (EMI) must be mitigated, using either filters or a cleaver control of the elementary blocks association.
All models (components, loss, EMC) should be validated on existing power modules, and the design methodology developed in close collaboration with experts from the domain. The Electrical Engineering department from KIT has already developed a 500kVA elementary module, which could be used for several validation. G2ELab has a strong expertise in EMC, and already proposed a generic design methodology for modular power converters, for very low voltage applications.
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Début de la thèse : 01/10/2024

Plan Investissement d'Avenir (Idex, Labex)

Université Grenoble Alpes

220 EEATS - Electronique, Electrotechnique, Automatique, Traitement du Signal (EEATS)

Etre titulaire d'un Master 2 ou équivalent Avoir un goût avéré pour la recherche scientifique Avoir des connaissances en électronique de puissance permettant appréhender le fonctionnement et le dimensionnement des convertisseurs d'électronique de puissance Avoir des connaissances sur la CEM en électronique de puissance Maitriser les outil de CAO propres au génie électrique (simulation temporelle, éléments finis)
Have a Master 2 degree or equivalent Have a proven taste for scientific research Knowledge of power electronics, to understand the operation and sizing of power electronics converters. Knowledge of EMC in power electronics Mastery of CAD tools specific to electrical engineering (time simulation, finite elements)