Offre de thèse
Allocation dynamique de commande et passivité unifiées pour les convertisseurs multiports : Vers des micro-réseaux DC stables et efficaces
Date limite de candidature
30-09-2026
Date de début de contrat
01-10-2026
Directeur de thèse
DAAFOUZ Jamal
Encadrement
Le projet de recherche sera réalisé au sein du laboratoire CRAN (UMR CNRS 7039) de l'Université de Lorraine, en collaboration avec le laboratoire LEMTA. L'encadrement sera assuré, coté CRAN, par Jamal Daafouz (Directeur de thèse), Jérémie Kreiss (Co-Directeur de thèse, une ACT sera déposée dès la première année de thèse) et coté LEMTA par Serge Pierfederici (Co-encadrant). Les modalités d'encadrement consistent en un suivi régulier avec des réunions périodiques pour faire le point sur l'avancement des travaux et définir les orientations scientifiques. Le suivi sera complété par les entretiens du comité de suivi individuel (CSI) et par la validation des formations doctorales de l'école doctorale. Le doctorant sera encouragé à présenter ses travaux lors de séminaires et conférences et à les valoriser par des publications scientifiques.
Type de contrat
école doctorale
équipe
CID - Contrôle - Identification - Diagnosticcontexte
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 etcharges. 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.spécialité
Automatique, Traitement du signal et des images, Génie informatiquelaboratoire
CRAN - Centre de Recherche en Automatique de Nancy
Mots clés
Allocation dynamique de commande, Contrôle basé sur la passivité, Systèmes port-Hamiltoniens, Redondance d'entrée, Convertisseurs multiports
Détail de l'offre
Cette thèse concerne les réseaux électriques en courant continu (DC), notamment ceux qui utilisent des panneaux solaires, des batteries et différentes charges électriques. Dans ce type de réseau, des convertisseurs de puissance sont utilisés pour gérer l'énergie et faire circuler correctement le courant entre les différentes sources et les consommateurs. Lorsque plusieurs convertisseurs fonctionnent en même temps, il faut réussir à les contrôler de manière à maintenir la tension du réseau stable, répartir intelligemment le courant entre les différents convertisseurs, réduire les pertes d'énergie et garantir la stabilité du système même en cas de variations de production ou de consommation. L'idée principale de la thèse est donc de développer une nouvelle méthode de contrôle appelée allocation dynamique de commande, qui se divise en trois parties : un stabilisateur qui s'assure que la tension du réseau reste à la bonne valeur, un optimiseur qui cherche la meilleure façon de répartir le courant entre les convertisseurs afin notamment de réduire les pertes, et un annihilateur qui garantit que cette optimisation ne perturbe pas la régulation principale de la tension. La thèse étudiera principalement deux types de systèmes : plusieurs convertisseurs Boost fonctionnant en parallèle et un convertisseur à trois ports permettant de gérer plusieurs sources ou charges. Le travail sera à la fois théorique et expérimental : il faudra d'abord développer des modèles mathématiques des convertisseurs et concevoir les différents contrôleurs, puis tester les méthodes avec MATLAB/Simulink et enfin sur un banc expérimental réel. Les performances seront comparées à des méthodes de contrôle plus classiques, comme les régulateurs PI et le droop control. Enfin, une partie de la thèse pourra également porter sur la passivité, une propriété mathématique qui peut être utilisée pour mieux garantir la stabilité lorsque plusieurs systèmes électriques sont connectés entre eux. En résumé, l'objectif est de développer une méthode permettant à plusieurs convertisseurs de travailler ensemble de manière intelligente, stable et efficace, notamment dans le contexte des réseaux électriques intégrant des énergies renouvelables.
Keywords
Dynamic control allocation, Passivity-based control, Port-Hamiltonian systems, Input redundancy
Subject details
This PhD thesis focuses on DC electrical networks, particularly those using solar panels, batteries, and different electrical loads. In these types of networks, power converters are used to manage energy and ensure that current flows properly between the different sources and consumers. When several converters operate at the same time, they need to be controlled in a way that keeps the network voltage stable, distributes the current intelligently between the different converters, reduces energy losses, and ensures the overall stability of the system even when production or consumption changes. The main idea of the thesis is therefore to develop a new control method called Dynamic Control Allocation, which is divided into three parts: a stabilizer, which ensures that the network voltage remains at the desired value; an optimizer, which determines the best way to distribute the current between the converters, particularly to reduce energy losses; and an annihilator, which ensures that this optimization does not interfere with the main voltage regulation objective. The thesis will mainly study two types of systems: several Boost converters operating in parallel and a three-port converter capable of managing several energy sources or loads. The work will be both theoretical and experimental. First, mathematical models of the converters will be developed and the different controllers will be designed. The proposed methods will then be tested using MATLAB/Simulink and finally on a real experimental setup. Their performance will be compared with more classical control methods, such as PI controllers and droop control. Finally, part of the thesis may also focus on passivity, a mathematical property that can be used to improve stability when several electrical systems are interconnected. Overall, the goal is to develop a method that allows several power converters to work together in an intelligent, stable, and efficient way, particularly in the context of electrical networks integrating renewable energy sources.
Profil du candidat
Nous recherchons un candidat très motivé titulaire d'un diplôme de master en génie du contrôle, génie électrique ou mathématiques appliquées. Une solide formation en systèmes non linéaires, optimisation et programmation (MATLAB/Simulink) est requise
Candidate profile
We seek a highly motivated candidate with a MSc degree in control engineering, electrical engineering, or applied mathematics. A solid background in nonlinear systems, optimization, and programming (MATLAB/Simulink) is required.
Référence biblio
T. A. Johansen and T. I. Fossen, “Control allocation — A survey,” Automatica, pp. 1087–1103, May 2013.
J. Kreiss and J.-F. Trégouët, “Input redundancy: Definitions, taxonomy, characterizations and application to over-actuated systems,” Systems & Control Letters, p. 105 060, Dec. 1, 2021.
L. Zaccarian, “Dynamic allocation for input redundant control systems,” Automatica, pp. 1431–1438, Jun. 2009.
S. Dahale, A. Das, N. M. Pindoriya, and S Rajendran, “An overview of dc-dc converter topologies and controls in dc microgrid,” in 2017 7th International Conference on Power Systems (ICPS), IEEE, 2017, pp. 410–415.
M. Lapique, S. Pang, J.-P. Martin, S. Pierfederici, M. Weber, and S. Zaim, “Enhanced IDA-PBC Applied to a Three-Phase PWM Rectifier for Stable Interfacing Between AC and DC Microgrids Embedded in More Electrical Aircraft,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, pp. 995–1004, Jan. 2023.