Cet article explore la conception des onduleurs quasi-Z-source, en expliquant le rôle de l’état de court-circuit, du réseau d’impédance et de la modulation.
Les technologies de conversion de puissance couramment utilisées comme les onduleurs à source de courant (CSI) et les onduleurs à source de tension (VSI) sont souvent limitées dans leur capacité à gérer la variation de la tension d’entrée provenant des sources d’énergie renouvelable. Elles peuvent nécessiter des convertisseurs DC-DC supplémentaires, ce qui impacte la complexité et l’efficacité du système. C’est là qu’interviennent les onduleurs quasi-Z-source (qZSI).
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Présentation de l’Onduleur Quasi-Z-Source
Conçu pour relever le défi associé à une plage de tension limitée dans les sources d’énergie renouvelable, le qZSI peut gérer les fluctuations de puissance contrairement aux topologies d’onduleurs conventionnelles comme le CSI et le VSI. La topologie qZSI offre une meilleure tolérance aux pannes comme les pics de tension soudains, améliorant ainsi leur efficacité et leur fiabilité globales dans la conversion de tension. Le qZSI est une évolution de la topologie d’onduleur à source Z (ZSI) qui permet des opérations de boost et de buck en une seule étape. La topologie ZSI se compose de condensateurs disposés en configuration ‘X’ et de deux inducteurs pour stocker l’énergie et offrir des capacités de transfert de puissance. Cela crée un réseau d’impédance entre le dispositif de commutation de l’onduleur et la source DC d’énergie renouvelable. Malgré sa capacité à gérer la limitation de fluctuation du CSI et du VSI, le ZSI présente également certains problèmes, comme les courants d’appel au démarrage qui exposent les composants de l’onduleur à des contraintes et affectent la stabilité et la fiabilité de la tension. Ces limitations et ondulations de tension exigent une commande plus complexe pour la topologie ZSI.
Le qZSI, quant à lui, offre une réduction du stress sur ses composants, une meilleure efficacité et une régulation de tension améliorée par rapport au ZSI. Pour améliorer les performances de démarrage et la stabilité de la tension d’entrée, la topologie qZSI dispose de diodes supplémentaires dans un réseau d’impédance plus compact. Cela et ses capacités de court-circuit améliorent la tolérance aux pannes qui, autrement, endommageraient les onduleurs VSI et CSI. La topologie qZSI présente également une capacité de buck-boost et une conversion de puissance à une seule étape, réduisant ainsi les pertes de puissance et la complexité du système en supprimant le besoin de convertisseurs DC-DC.
Conception et Principe de Fonctionnement du qZSI
En ce qui concerne le fonctionnement du qZSI, sa conception permet un état de « court-circuit » contrôlé qui se produit sans endommager les composants de l’onduleur. Pour l’inversion de tension et le boost, le qZSI alterne entre l’état non-court-circuit et les modes de fonctionnement court-circuit. Lors de la conception, un dimensionnement correct des composants est essentiel. Les inducteurs L1 et L2 peuvent être dimensionnés pour gérer le stockage d’énergie et les courants de pointe pendant l’état de court-circuit. Pour limiter le courant d’ondulation (L), l’inductance de l’onduleur qZSI peut être évaluée en tenant compte de la période de commutation (T), de la tension DC d’entrée (Vin) et du rapport de devoir de court-circuit (Dcourt-circuit).
\[L=\frac{V_{in}\times D_{court-circuit}\times T}{\Delta I_{l}}\]
Lors de la sélection d’un condensateur pour l’onduleur, un dimensionnement correct doit être effectué pour garantir une tension DC-link stable et une réduction de l’ondulation de tension pendant l’état de court-circuit. La capacité peut être évaluée en prenant en compte la tension que le condensateur choisi peut supporter (C ).
\[L=\frac{I_{charge}\times D_{court-circuit}\times T}{\Delta V_{c}}\]
Figure 1. Le réseau source qZSI comprend deux inducteurs et des condensateurs pour gérer le stockage d’énergie pendant l’état de court-circuit. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Pendant l’état de court-circuit, la circulation du courant se produit au sein du réseau quasi-z après l’activation simultanée des deux interrupteurs dans un bras de l’onduleur. Dans ce mode, le courant ne circule pas dans le pont de l’onduleur. Pour mieux comprendre le mécanisme de boost de tension, le cycle de travail (Ts) de l’état de court-circuit est considéré et utilisé pour évaluer le facteur de boost de l’onduleur (B). À mesure que le courant circule à travers les deux inducteurs du réseau, l’énergie est stockée, augmentant la tension à travers les condensateurs, ce qui augmente la tension DC globale de l’onduleur.
\[B=\frac{1}{1-2T_{s}}\]
En augmentant la tension avant l’inversion, une tension de sortie AC plus élevée peut être atteinte même dans les cas où la tension d’entrée DC est faible. Supposons qu’un qZSI ait un cycle de travail de 0,25, le facteur de boost est égal à 2, comme illustré ci-dessous, ce qui signifie que la tension de sortie double la tension d’entrée.
\[B=\frac{1}{1-2\times0.25}=\frac{1}{1-0.5}=2\]
Cela signifie qu’à mesure que le cycle de travail augmente, le facteur de boost augmente, comme le montre la Figure 2. Par exemple, le facteur de boost à un cycle de travail de 0,1 est d’environ 1,11 tandis qu’un cycle de travail de 0,4 a un facteur de boost d’environ 1,67.
Figure 2. Relation entre le cycle de travail de l’onduleur quasi-z-source et son facteur de boost. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Une fois que la tension est augmentée dans l’état de court-circuit, le processus d’inversion du DC à l’AC dans l’état non-court-circuit peut être effectué où le pont de l’onduleur est alimenté par l’énergie stockée des condensateurs chargés. Une technique standard de modulation de largeur d’impulsion (PWM) peut convertir la tension DC en tension AC en une seule étape. La tension de sortie AC modulée (Vac) de l’onduleur qZSI peut être approximée en tenant compte de l’indice de modulation M, exprimé comme suit (Vdc), qui est la tension d’entrée DC.
\[V_{ac}=B\times V_{dc}\times M\]
Modulation de Largeur d’Impulsion pour le Contrôle du qZSI
Trois techniques de PWM pour le contrôle du qZSI incluent le contrôle de boost simple (SBC), le contrôle de boost maximum (MBC) et le contrôle de boost constant (CBC), qui influencent la stabilité, l’efficacité et les pertes de commutation dans l’onduleur. Ces méthodes PWM ont leurs atouts et limites dans le contrôle du qZSI. Le SBC implique l’insertion d’un état de court-circuit dans le signal de modulation lorsque le signal porteur est en dessous du seuil prédéfini. Cette méthode de modulation modifie le cycle de travail de court-circuit pour atteindre le boost de tension désiré. En ce qui concerne l’efficacité, le SBC présente une efficacité inférieure à des facteurs de boost élevés par rapport au CBC et au MBC en raison des pertes de commutation élevées résultant des commutations continues. La fréquence de commutation élevée dans cette méthode de contrôle PWM peut également introduire une distorsion harmonique dans le qZSI.
La technique PWM MBC fonctionne en optimisant l’utilisation de la tension DC en ajustant l’état de court-circuit pour coïncider avec les points de passage à zéro du signal de référence. Cela minimise la perte pendant la commutation en appliquant le court-circuit pendant les périodes où la tension est la plus faible à travers le réseau d’impédance. Contrairement au SBC, le MCB est plus efficace car il évite la commutation continue pendant les conditions de tension de crête. Le CBC équilibre l’efficacité et le boost de tension en effectuant des ajustements dynamiques au cycle de travail de court-circuit en fonction des conditions de charge et des besoins de sortie. Cela permet de maintenir la cohérence indépendamment de la charge variable et réduit le stress global sur les composants de l’onduleur.
Figure 3. La stabilité de la tension de sortie dans des charges variables pour les trois techniques PWM où le CBC présente une tension de sortie plus stable. Image utilisée avec la permission de Bob Odhiambo
Applications d’Intégration des Énergies Renouvelables
En raison de la capacité du qZSI à offrir une conversion de puissance même en cas de fluctuations de puissance, il peut être facilement intégré dans le système photovoltaïque (PV) pour gérer les problèmes de faible irradiation ou d’ombrage partiel. Cette topologie d’onduleur offre également une stabilité de tension à partir des panneaux PV, et avec des ajustements dynamiques de la tension et du courant, le suivi du point de puissance maximal (MPPT) peut être simplifié.
La topologie d’onduleur qZSI fonctionne également bien dans les systèmes éoliens ou hybrides combinant éolien et solaire. La tension de sortie variable des éoliennes peut être facilement stabilisée grâce aux capacités de buck-boost de cette topologie d’onduleur. Avec l’adoption croissante de l’énergie verte, le besoin de systèmes de conversion de puissance offrant efficacité et fiabilité augmente. Les ingénieurs en énergie peuvent tirer des leçons sur la topologie la mieux adaptée pour une sortie de puissance plus stable.