Offre de thèse - contrôle décentralisé et architecture de communication pour les convertisseurs modulaires multiniveaux (mmc) : une perspective en informatique industrielle h/f

Informations générales

Intitulé de l'offre : Offre de Thèse - Contrôle Décentralisé et Architecture de Communication pour les Convertisseurs Modulaires Multiniveaux (MMC) : Une Perspective en Informatique Industrielle H/F
Référence : UPR8001-LUILAV-020
Nombre de Postes : 1
Lieu de travail : TOULOUSE
Date de publication : vendredi 21 février 2025
Type de contrat : CDD Doctorant
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 7 avril 2025
Quotité de travail : Complet
Rémunération : La rémunération est d'un minimum de 2200,00 € mensuel
Section(s) CN : 8 - Micro et nanotechnologies, micro et nanosystèmes, photonique, électronique, électromagnétisme, énergie électrique

Description du sujet de thèse

Contrôle Décentralisé et Architecture de Communication pour les Convertisseurs Modulaires Multiniveaux (MMC) : Une Perspective en Informatique Industrielle

Résumé

Cette recherche vise à explorer et développer des systèmes de contrôle décentralisés pour les convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) dans une perspective d’informatique industrielle. L’objectif est de comprendre l’impact de l’élimination du contrôleur maître sur la gestion des données, l’efficacité des communications et la fiabilité du contrôle. En s’appuyant sur la communication peer-to-peer et des techniques de contrôle coopératif, le projet cherche à résoudre les défis existants des systèmes centralisés, tels que les exigences élevées en calcul et la complexité des communications. Les résultats contribueront à des solutions plus évolutives, fiables et rentables pour les réseaux électriques en courant continu à moyenne tension (MVDC), facilitant ainsi l’intégration des sources d’énergie renouvelables.

Introduction

La transition vers une énergie durable repose fortement sur l’intégration des sources renouvelables, comme le solaire et l’éolien, dans les réseaux électriques existants. Cependant, cette intégration présente des défis, notamment au niveau de la moyenne tension, où la conversion de puissance doit être efficace, évolutive et adaptable. Les convertisseurs modulaires multiniveaux (MMC) apparaissent comme une solution prometteuse, car ils permettent de gérer des flux énergétiques complexes et facilitent l’intégration des systèmes de production décentralisés. Une architecture de contrôle décentralisée pour les MMC pourrait être une innovation majeure, en éliminant les goulets d’étranglement et les points uniques de défaillance associés aux systèmes centralisés. En utilisant une communication peer-to-peer et un contrôle coopératif, un MMC décentralisé pourrait améliorer l’évolutivité du système, réduire les coûts et renforcer la résilience, devenant ainsi un élément clé des réseaux électriques modernes et flexibles, et un progrès significatif dans la transition énergétique mondiale.

D’un point de vue scientifique, la décentralisation du contrôle des MMC pose à la fois des défis et des opportunités. Les MMC traditionnels s’appuient sur un contrôleur maître pour gérer les données en temps réel de nombreux sous-modules, ce qui impose une forte puissance de calcul et une infrastructure de communication complexe. La décentralisation vise à distribuer ces tâches entre les sous-modules, permettant un échange et une synchronisation des données en temps réel sans passer par un hub central. Cela nécessite le développement de nouveaux algorithmes de contrôle et de protocoles de communication garantissant la fiabilité, la tolérance aux pannes et un fonctionnement fluide dans diverses conditions. Cette recherche explorera ces aspects en se concentrant sur la conception, la modélisation et la validation expérimentale d’un système de contrôle décentralisé, afin de surmonter les obstacles techniques tout en maintenant les performances, l’efficacité et l’évolutivité du système.

Revue de littérature

Les architectures de contrôle existantes des MMC s’appuient sur des systèmes centralisés qui rencontrent des difficultés en matière de gestion des données, de synchronisation et de communication en temps réel au sein de réseaux de convertisseurs à haute densité. La décentralisation en informatique industrielle a été proposée comme solution, offrant des avantages en termes de tolérance aux pannes, d’évolutivité et d’efficacité des communications. Les récents progrès en matière de convertisseurs modulaires multiniveaux montrent un potentiel d’amélioration de la robustesse et de la flexibilité des systèmes, bien que des défis subsistent pour parvenir à un contrôle totalement modulaire et décentralisé [1][3]. Des recherches antérieures ont comparé différents modèles de MMC, en mettant l’accent sur l’efficacité du système et la précision du contrôle, des aspects critiques pour la conception de solutions évolutives [4].

Le contrôle décentralisé a été exploré à travers des techniques de communication distribuée, permettant aux sous-modules de fonctionner sans hub central, ce qui améliore la résilience du système et réduit la charge de calcul [3][6][10]. Ces techniques de contrôle coopératif permettent également de mieux gérer les défauts du réseau et d’accroître l’adaptabilité globale du système [6]. De plus, la communication peer-to-peer apparaît comme une approche prometteuse, en facilitant les interactions directes entre les modules et en simplifiant l’échange des données [5][9]. Ce projet analysera ces techniques de contrôle et de communication, en se concentrant sur leur application à l’électronique de puissance, notamment à travers des études de cas sur l’intégration des énergies renouvelables [8][11][12].
Méthodologie

Le projet CARROTS est une initiative collaborative impliquant trois laboratoires de recherche et une start-up, OwnTech. Son objectif est de développer un système de contrôle décentralisé sans maître pour les convertisseurs MMC, afin d’améliorer l’évolutivité, la fiabilité et l’efficacité des applications en moyenne tension. Le travail scientifique est divisé en trois principaux axes : l’électronique de puissance, le contrôle et la gestion des données. Cette thèse se concentrera sur le troisième axe, qui concerne l’informatique industrielle et la gestion des données. L’étude portera sur l’impact de la décentralisation du contrôle sur les échanges de données et la communication, en appliquant les principes de l’informatique industrielle pour garantir un fonctionnement fiable en temps réel.

Le travail sera structuré en trois étapes :

WP1 - Revue de littérature : Étudier et analyser les solutions existantes en informatique industrielle et réseaux de communication pour les MMC décentralisés. Cette analyse servira de base à la conception et au dimensionnement des solutions de communication, menant au développement d’un premier prototype expérimental.
WP2 - Étude au niveau des bras du MMC : Concevoir et implémenter une structure de communication au niveau des bras du convertisseur. Cette phase comprendra la modélisation, la simulation et l’expérimentation sur le prototype développé dans le WP1, avec des retours d’expérience permettant d’affiner les spécifications du prototype final.
WP3 - Étude au niveau du convertisseur : À partir des données collectées lors du WP2, un prototype final du MMC sera fourni. Cette dernière phase consistera à tester et valider les stratégies de communication décentralisée à l’échelle du convertisseur, en évaluant l’impact de la décentralisation sur l’informatique industrielle au niveau des modules.

Résultats attendus

Le projet vise à développer et valider une architecture de contrôle décentralisée pour les MMC, ainsi qu’à fournir des cadres méthodologiques pour l’implémentation de réseaux de communication peer-to-peer dans l’électronique de puissance. Les contributions incluront la mise à disposition de solutions open-source pour favoriser l’adoption de cette technologie et la publication des résultats dans des conférences et revues de premier plan.

Importance et impact

Cette recherche a le potentiel de transformer le marché des réseaux MVDC en introduisant des solutions plus robustes, évolutives et rentables pour l’électronique de puissance. La décentralisation du contrôle des MMC permet d’éliminer les contraintes de scalabilité et de complexité, rendant ces convertisseurs plus flexibles et adaptés à une intégration efficace des énergies renouvelables. En réduisant les coûts liés aux contrôleurs centralisés et aux infrastructures de communication complexes, cette approche peut démocratiser l’accès aux systèmes MVDC et en accélérer l’adoption dans divers secteurs, notamment les réseaux industriels, l’électromobilité et le stockage d’énergie.

En favorisant les avancées en contrôle décentralisé, ce projet contribuera à l’évolution des technologies MVDC et à leur intégration dans des systèmes énergétiques modernes et durables. Son approche open-source encouragera l’innovation, réduira les coûts de développement et facilitera la collaboration entre acteurs industriels et académiques, positionnant ainsi les MMC décentralisés comme une référence dans le domaine.

References
1. M. A. Perez, S. Ceballos, G. Konstantinou, J. Pou, and R. P. Aguilera, "Modular Multilevel Converters: Recent Achievements and Challenges," in *IEEE Open Journal of the Industrial Electronics Society*, vol. 2, pp. 224-239, 2021.
2. LOI n° 2021-1104 du 22 août 2021, *Lutte contre le dérèglement climatique et renforcement de la résilience face à ses effets*.
3. C. Burgos-Mellado, J. Pereda, A. Mora, R. Cardenas-Dobson, and T. Dragicevic, "Distributed Control for Modular Multilevel Cascaded Converters: Toward a Fully Modular Topology," in *IEEE Industrial Electronics Magazine*.
4. R. Coelho-Medeiros, B. Džonlaga, J.-C. Vannier, J. Dai, L. Queval, and P. Egrot, "A Comparison between Different Models of the Modular Multilevel Converter," 2020 *22nd European Conference on Power Electronics and Applications (EPE'20 ECCE Europe)*, Lyon, France, 2020.
5. Matthias Preindl, Luiz Villa, Liwei Zhou, Matthew Jahnes, Jean Alinei, "Software-Defined Power Electronics: Theory and Study Cases," *ITEC+EATS 2022 Conference Short Course*.
6. A. Zama, S. Bacha, A. Benchaib, D. Frey, S. Silvant, and D. Georges, “Discrete-time Sliding Mode Control for Modular Multilevel Converters: Validation under Fault Grid Operation Mode,” *IEEE Transactions on Industrial Electronics*, vol. 68, no. 4, April 2021.
7. T. Heath, "Cascaded- and Modular-Multilevel Converter Laboratory Test System Options: A Review," in *IEEE Access*, 2021.
8. F. Gruson, "Contribution to the Development of MMC for Electric Grids," HDR Document, 2022.
9. T. P. Corrêa, L. Almeida, and F. J. Rodriguez, "Communication Aspects in the Distributed Control Architecture of a Modular Multilevel Converter," 2018 *IEEE International Conference on Industrial Technology (ICIT)*, Lyon, France, 2018.
10. Gutierrez and S. Kwak, “Modular Multilevel Converters (MMCs) Controlled by Model Predictive Control with Reduced Calculation Burden,” *IEEE Transactions on Power Electronics*, vol. 33, no. 11, pp. 9176–9187, Nov. 2018.
11. D. Sal y Rosas, D. Chavez, D. Frey, and J.-P. Ferrieux, “Single-Stage Isolated and Bidirectional Three-Phase Series-Resonant AC–DC Converter: Modulation for Active and Reactive Power Control,” *Energies*, vol. 15, no. 21, p. 8070, Oct. 2022.
12. A. Malekipour, A. Corne, L. Garbuio, P. Granjon, and L. Gerbaud, "A Closed-Loop PMSM Sensorless Control Based on the Machine Acoustic Noise," *IEEE Transactions on Industrial Electronics*, vol. 70, no. 10, pp. 9859-9869, Oct. 2023.
13. Blind, K., Böhm, M., Grzegorzewska, P., Katz, A., Muto, S., Pätsch, S., and Schubert, T. (2021). *The Impact of Open Source Software and Hardware on Technological Independence, Competitiveness, and Innovation in the EU Economy*, Brussels.

Contexte de travail

Cette thèse aura lieu au LAAS-CNRS à Toulouse. Le travail sera coordonné avec deux autres doctorants dans deux laboratoires partenaires du consortium CARROTS.

Le poste se situe dans un secteur relevant de la protection du potentiel scientifique et technique (PPST), et nécessite donc, conformément à la réglementation, que votre arrivée soit autorisée par l'autorité compétente du MESR.