Contribution au développement d'un convertisseur DC-DC haute puissance faible tension pour des applications électrolyseur à membrane échangeuse de protons

Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre d’un accord de cotutelle entre l’Université de Lorraine, IUT de Longwy, laboratoire GREEN et Renewable Energy Research Centre (RERC), King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thaïlande. Par ailleurs, cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de bourses Franco-Thaï 2019 soutenu par l’ambassade de France en Thaïlande et Campus France. L’objectif principal de cette thèse est de développer un convertisseur DC-DC dévolteur basse tension haute puissance et un algorithme de contrôle non linéaire pour des applications d’électrolyseurs PEM. Tout d’abord, les technologies d’électrolyseurs et les topologies de convertisseurs DC-DC pour des systèmes de production d’hydrogène reposant sur le processus d’électrolyse de l’eau ont été étudiées avec attention. De plus, une étude bibliographique des modèles d’électrolyseurs PEM a été réalisée pour analyser les comportements statiques et dynamiques de ces derniers. Dans ce travail, la technologie d’électrolyseur PEM a été considérée en raison de ses avantages principaux tels que sa densité de courant élevée, sa réponse rapide aux sollicitations dynamiques, et sa large plage de fonctionnement. De là, cette technologie est particulièrement bien adaptée pour être couplée avec des sources d’énergies renouvelables. Cependant, les électrolyseurs peuvent être vus comme des charges électrochimiques basse tension fort courant exigeant en conséquence un convertisseur DC-DC dévolteur adapté. Après avoir effectué une analyse bibliographique sur les convertisseurs DC-DC les plus utilisés et les topologies candidates pour cette application, un convertisseur buck entrelacé trois niveaux (communément appelé three-level interleaved buck converter (TLIBC)) a été choisi dû à ses caractéristiques principales. En effet, cette topologie est caractérisée par une ondulation de courant de sortie faible, une conversion en tension faible, et une disponibilité en cas de défaillances électriques. Dans un second temps, un émulateur d’électrolyseur PEM a été conçu et implémenté en s’appuyant sur les comportements statiques et dynamiques d’un électrolyseur PEM commercial. Cet émulateur a été utilisé avec le convertisseur buck entrelacé trois niveaux pour éviter toute condition de fonctionnement critique qui pourrait endommager un électrolyseur physique pendant les phases d’expérimentation. Enfin, pour assurer d’excellentes performances du système, un contrôle non-linéaire mode glissant (communément appelé sliding-mode control (SMC)) amélioré a été conçu pour le convertisseur étudié. Le choix de ce contrôleur est motivé par ses bénéfices en termes de réponse dynamique et robustesse contre les incertitudes de paramètres du système. Ensuite, le convertisseur piloté par le contrôle non-linéaire mode glissant a été testé en simulation et expérimentalement. Les résultats obtenus à la fois en simulation et en pratique ont démontré la robustesse du contrôleur proposé dans la gestion du courant de sortie (i.e. réglage du débit d’hydrogène) qui suit avec précision une référence donnée avec une faible ondulation de courant de sortie, tout en garantissant l’équilibre des tensions des deux condensateurs d’entrée en conditions de fonctionnements dynamiques et d’incertitudes des paramètres.This Ph.D. work has been carried out within the framework of a cotutelle agreement between the Group of Research in Electrical Engineering of Nancy (GREEN), Université de Lorraine, IUT de Longwy section, France, and Renewable Energy Research Centre (RERC), Thai French innovation institute, Faculty of technical education, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Thailand. Besides, this Ph.D. comes within the scope of the 2019 Franco-Thai Scholarship Program supported by the French Embassy in Thailand and Campus France. The major goal of this Ph.D. work is to develop a high-power low voltage step-down DC-DC converter and a non-linear control algorithm for PEM electrolyzer applications. First, the electrolyzer technologies and power electronics topologies for hydrogen production systems relying on water electrolysis process have been thoroughly studied. Besides, a literature review of PEM electrolyzer models has been carried out to investigate static and dynamic behaviors. In this work, PEM electrolyzer technology has been considered due to their main advantages such as high current densities, fast dynamic responses, and large partial load range. Hence, this technology is perfectly fit to be coupled with renewable energy sources. However, PEM electrolyzers are low-voltage high-current electrochemical loads requiring the use of a suitable step-down DC-DC converter. After reviewing the most used topologies and topologies candidates for this application, a three-level interleaved buck converter (TLIBC) has been chosen because of their main benefits. Indeed, the main features of the TLIBC are low output current ripple, low step-down conversion ratio gain, and availability in case of electrical failures. Second, a PEM electrolyzer emulator has been designed and implemented based on the static and dynamic behavior of a commercial PEM electrolyzer. This emulator has been used with the TLIBC to avoid critical operating conditions that may damage a real electrolyzer during experimental tests. Finally, to ensure excellent performance of the system, a non-linear improved sliding-mode control (SMC) has been designed for the TLIBC. The choice of this controller has been motivated by its major benefits such as fast dynamic response and robustness against parameters uncertainties. Then, the TLIBC driven by the improved SMC has been tested in simulation and experimentally. Both obtained simulation and experimental results have demonstrated the robustness of proposed control laws in managing the output inductor current (i.e., hydrogen flow rate) that precisely follows its reference with very low current ripple, while guaranteeing the balance of both input capacitors voltages with respect to the dynamic operating condition and uncertainty parameters

Contribution au développement d'un convertisseur DC-DC haute puissance faible tension pour des applications électrolyseur à membrane échangeuse de protons

This Ph.D. work has been carried out within the framework of a cotutelle agreement between the Group of Research in Electrical Engineering of Nancy (GREEN), Université de Lorraine, IUT de Longwy section, France, and Renewable Energy Research Centre (RERC), Thai French innovation institute, Faculty of technical education, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Thailand. Besides, this Ph.D. comes within the scope of the 2019 Franco-Thai Scholarship Program supported by the French Embassy in Thailand and Campus France. The major goal of this Ph.D. work is to develop a high-power low voltage step-down DC-DC converter and a non-linear control algorithm for PEM electrolyzer applications. First, the electrolyzer technologies and power electronics topologies for hydrogen production systems relying on water electrolysis process have been thoroughly studied. Besides, a literature review of PEM electrolyzer models has been carried out to investigate static and dynamic behaviors. In this work, PEM electrolyzer technology has been considered due to their main advantages such as high current densities, fast dynamic responses, and large partial load range. Hence, this technology is perfectly fit to be coupled with renewable energy sources. However, PEM electrolyzers are low-voltage high-current electrochemical loads requiring the use of a suitable step-down DC-DC converter. After reviewing the most used topologies and topologies candidates for this application, a three-level interleaved buck converter (TLIBC) has been chosen because of their main benefits. Indeed, the main features of the TLIBC are low output current ripple, low step-down conversion ratio gain, and availability in case of electrical failures. Second, a PEM electrolyzer emulator has been designed and implemented based on the static and dynamic behavior of a commercial PEM electrolyzer. This emulator has been used with the TLIBC to avoid critical operating conditions that may damage a real electrolyzer during experimental tests. Finally, to ensure excellent performance of the system, a non-linear improved sliding-mode control (SMC) has been designed for the TLIBC. The choice of this controller has been motivated by its major benefits such as fast dynamic response and robustness against parameters uncertainties. Then, the TLIBC driven by the improved SMC has been tested in simulation and experimentally. Both obtained simulation and experimental results have demonstrated the robustness of proposed control laws in managing the output inductor current (i.e., hydrogen flow rate) that precisely follows its reference with very low current ripple, while guaranteeing the balance of both input capacitors voltages with respect to the dynamic operating condition and uncertainty parameters.Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre d’un accord de cotutelle entre l’Université de Lorraine, IUT de Longwy, laboratoire GREEN et Renewable Energy Research Centre (RERC), King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thaïlande. Par ailleurs, cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de bourses Franco-Thaï 2019 soutenu par l’ambassade de France en Thaïlande et Campus France. L’objectif principal de cette thèse est de développer un convertisseur DC-DC dévolteur basse tension haute puissance et un algorithme de contrôle non linéaire pour des applications d’électrolyseurs PEM. Tout d’abord, les technologies d’électrolyseurs et les topologies de convertisseurs DC-DC pour des systèmes de production d’hydrogène reposant sur le processus d’électrolyse de l’eau ont été étudiées avec attention. De plus, une étude bibliographique des modèles d’électrolyseurs PEM a été réalisée pour analyser les comportements statiques et dynamiques de ces derniers. Dans ce travail, la technologie d’électrolyseur PEM a été considérée en raison de ses avantages principaux tels que sa densité de courant élevée, sa réponse rapide aux sollicitations dynamiques, et sa large plage de fonctionnement. De là, cette technologie est particulièrement bien adaptée pour être couplée avec des sources d’énergies renouvelables. Cependant, les électrolyseurs peuvent être vus comme des charges électrochimiques basse tension fort courant exigeant en conséquence un convertisseur DC-DC dévolteur adapté. Après avoir effectué une analyse bibliographique sur les convertisseurs DC-DC les plus utilisés et les topologies candidates pour cette application, un convertisseur buck entrelacé trois niveaux (communément appelé three-level interleaved buck converter (TLIBC)) a été choisi dû à ses caractéristiques principales. En effet, cette topologie est caractérisée par une ondulation de courant de sortie faible, une conversion en tension faible, et une disponibilité en cas de défaillances électriques. Dans un second temps, un émulateur d’électrolyseur PEM a été conçu et implémenté en s’appuyant sur les comportements statiques et dynamiques d’un électrolyseur PEM commercial. Cet émulateur a été utilisé avec le convertisseur buck entrelacé trois niveaux pour éviter toute condition de fonctionnement critique qui pourrait endommager un électrolyseur physique pendant les phases d’expérimentation. Enfin, pour assurer d’excellentes performances du système, un contrôle non-linéaire mode glissant (communément appelé sliding-mode control (SMC)) amélioré a été conçu pour le convertisseur étudié. Le choix de ce contrôleur est motivé par ses bénéfices en termes de réponse dynamique et robustesse contre les incertitudes de paramètres du système. Ensuite, le convertisseur piloté par le contrôle non-linéaire mode glissant a été testé en simulation et expérimentalement. Les résultats obtenus à la fois en simulation et en pratique ont démontré la robustesse du contrôleur proposé dans la gestion du courant de sortie (i.e. réglage du débit d’hydrogène) qui suit avec précision une référence donnée avec une faible ondulation de courant de sortie, tout en garantissant l’équilibre des tensions des deux condensateurs d’entrée en conditions de fonctionnements dynamiques et d’incertitudes des paramètres

Contribution au développement d'un convertisseur DC-DC haute puissance faible tension pour des applications électrolyseur à membrane échangeuse de protons

This Ph.D. work has been carried out within the framework of a cotutelle agreement between the Group of Research in Electrical Engineering of Nancy (GREEN), Université de Lorraine, IUT de Longwy section, France, and Renewable Energy Research Centre (RERC), Thai French innovation institute, Faculty of technical education, King Mongkut's University of Technology North Bangkok, Thailand. Besides, this Ph.D. comes within the scope of the 2019 Franco-Thai Scholarship Program supported by the French Embassy in Thailand and Campus France. The major goal of this Ph.D. work is to develop a high-power low voltage step-down DC-DC converter and a non-linear control algorithm for PEM electrolyzer applications. First, the electrolyzer technologies and power electronics topologies for hydrogen production systems relying on water electrolysis process have been thoroughly studied. Besides, a literature review of PEM electrolyzer models has been carried out to investigate static and dynamic behaviors. In this work, PEM electrolyzer technology has been considered due to their main advantages such as high current densities, fast dynamic responses, and large partial load range. Hence, this technology is perfectly fit to be coupled with renewable energy sources. However, PEM electrolyzers are low-voltage high-current electrochemical loads requiring the use of a suitable step-down DC-DC converter. After reviewing the most used topologies and topologies candidates for this application, a three-level interleaved buck converter (TLIBC) has been chosen because of their main benefits. Indeed, the main features of the TLIBC are low output current ripple, low step-down conversion ratio gain, and availability in case of electrical failures. Second, a PEM electrolyzer emulator has been designed and implemented based on the static and dynamic behavior of a commercial PEM electrolyzer. This emulator has been used with the TLIBC to avoid critical operating conditions that may damage a real electrolyzer during experimental tests. Finally, to ensure excellent performance of the system, a non-linear improved sliding-mode control (SMC) has been designed for the TLIBC. The choice of this controller has been motivated by its major benefits such as fast dynamic response and robustness against parameters uncertainties. Then, the TLIBC driven by the improved SMC has been tested in simulation and experimentally. Both obtained simulation and experimental results have demonstrated the robustness of proposed control laws in managing the output inductor current (i.e., hydrogen flow rate) that precisely follows its reference with very low current ripple, while guaranteeing the balance of both input capacitors voltages with respect to the dynamic operating condition and uncertainty parameters.Cette thèse de doctorat a été réalisée dans le cadre d’un accord de cotutelle entre l’Université de Lorraine, IUT de Longwy, laboratoire GREEN et Renewable Energy Research Centre (RERC), King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thaïlande. Par ailleurs, cette thèse s’inscrit dans le cadre du programme de bourses Franco-Thaï 2019 soutenu par l’ambassade de France en Thaïlande et Campus France. L’objectif principal de cette thèse est de développer un convertisseur DC-DC dévolteur basse tension haute puissance et un algorithme de contrôle non linéaire pour des applications d’électrolyseurs PEM. Tout d’abord, les technologies d’électrolyseurs et les topologies de convertisseurs DC-DC pour des systèmes de production d’hydrogène reposant sur le processus d’électrolyse de l’eau ont été étudiées avec attention. De plus, une étude bibliographique des modèles d’électrolyseurs PEM a été réalisée pour analyser les comportements statiques et dynamiques de ces derniers. Dans ce travail, la technologie d’électrolyseur PEM a été considérée en raison de ses avantages principaux tels que sa densité de courant élevée, sa réponse rapide aux sollicitations dynamiques, et sa large plage de fonctionnement. De là, cette technologie est particulièrement bien adaptée pour être couplée avec des sources d’énergies renouvelables. Cependant, les électrolyseurs peuvent être vus comme des charges électrochimiques basse tension fort courant exigeant en conséquence un convertisseur DC-DC dévolteur adapté. Après avoir effectué une analyse bibliographique sur les convertisseurs DC-DC les plus utilisés et les topologies candidates pour cette application, un convertisseur buck entrelacé trois niveaux (communément appelé three-level interleaved buck converter (TLIBC)) a été choisi dû à ses caractéristiques principales. En effet, cette topologie est caractérisée par une ondulation de courant de sortie faible, une conversion en tension faible, et une disponibilité en cas de défaillances électriques. Dans un second temps, un émulateur d’électrolyseur PEM a été conçu et implémenté en s’appuyant sur les comportements statiques et dynamiques d’un électrolyseur PEM commercial. Cet émulateur a été utilisé avec le convertisseur buck entrelacé trois niveaux pour éviter toute condition de fonctionnement critique qui pourrait endommager un électrolyseur physique pendant les phases d’expérimentation. Enfin, pour assurer d’excellentes performances du système, un contrôle non-linéaire mode glissant (communément appelé sliding-mode control (SMC)) amélioré a été conçu pour le convertisseur étudié. Le choix de ce contrôleur est motivé par ses bénéfices en termes de réponse dynamique et robustesse contre les incertitudes de paramètres du système. Ensuite, le convertisseur piloté par le contrôle non-linéaire mode glissant a été testé en simulation et expérimentalement. Les résultats obtenus à la fois en simulation et en pratique ont démontré la robustesse du contrôleur proposé dans la gestion du courant de sortie (i.e. réglage du débit d’hydrogène) qui suit avec précision une référence donnée avec une faible ondulation de courant de sortie, tout en garantissant l’équilibre des tensions des deux condensateurs d’entrée en conditions de fonctionnements dynamiques et d’incertitudes des paramètres

Energy Efficiency Based Control Strategy of a Three-Level Interleaved DC-DC Buck Converter Supplying a Proton Exchange Membrane Electrolyzer

To face the intensive use of natural gas and other fossil fuels to generate hydrogen, water electrolysis based on renewable energy sources (RES) seems to be a viable solution. Due to their fast response times, and high efficiency, proton exchange membrane electrolyzer (PEM EL) is the most suitable technology for long-term energy storage, combined with RES. Like fuel cells, the development of fit DC-DC converters is mandatory to interface the EL to the DC grid. Given that PEM EL operating voltages are quite low and to meet requirements in terms of output current ripples, new emerging interleaved DC-DC converter topologies seem to be the best candidates. In this work, a three-level interleaved DC-DC buck converter has been chosen to supply a PEM EL from a DC grid. Therefore, the main objective of this paper is to develop a suitable control strategy of this interleaved topology connected to a PEM EL emulator. To design the control strategy, investigations have been carried out on energy efficiency, hydrogen flow rate, and specific energy consumption. The obtained experimental results validate the performance of the converter in protecting the PEM EL during transient operations while guaranteeing correct specific energy consumption

Improved Sliding Mode-Based Controller of a High Voltage Ratio DC–DC Converter for Electrolyzers Supplied by Renewable Energy

This article presents a novel control algorithm for a three-level interleaved buck converter (TLIBC) to supply energy to a proton exchange membrane electrolyzer (PEMEL) in the presence of renewable energy sources. It leverages the main advantages of the TLIBC, i.e., a high voltage conversion ratio, low output current ripple, and the ability to operate in case of electrical circuit failures. The new control law, based on nonlinear improved sliding model-based control, offers a significant improvement of the performance for input power variation when renewable energy sources are used. The proposed controller exhibits further benefits, such as a faster dynamic response and greater robustness against parameter uncertainties when compared to traditional PI-based control. Experimental verification is carried out using a PEMEL dynamic emulator to preserve the real PEMEL performance during the tests. The obtained experimental results demonstrated that the proposed control technique overcomes current limitations in terms of performance usually characterized by PI controllers. Particularly, during operating conditions change when considering electrolyzers powered by renewable energy sources, a faster response is obtained. The rise time is imposed by the controller, and it does not depend on the operating point

AC-DC Converters for Electrolyzer Applications: State of the Art and Future Challenges

The main objective of the article is to provide a thorough review of currently used AC-DC converters for alkaline and proton exchange membrane (PEM) electrolyzers in power grid or wind energy conversion systems. Based on the current literature, this article aims at emphasizing the advantages and drawbacks of AC-DC converters mainly based on thyristor rectifier bridges and chopper-rectifiers. The analysis is mainly focused on the current issues for these converters in terms of specific energy consumption, current ripple, reliability, efficiency, and power quality. From this analysis, it is shown that thyristors-based rectifiers are particularly fit for high-power applications but require the use of active and passive filters to enhance the power quality. By comparison, the association combination of the chopper-rectifier can avoid the use of bulky active and passive filters since it can improve power quality. However, the use of a basic chopper (i.e., buck converter) presents several disadvantages from the reliability, energy efficiency, voltage ratio, and current ripple point of view. For this reason, new emerging DC-DC converters must be employed to meet these important issues according to the availability of new power switching devices. Finally, based on the authors’ experience in power conversion for PEM electrolyzers, a discussion is provided regarding the future challenges that must face power electronics for green hydrogen production based on renewable energy sources

Proton Exchange Membrane Electrolyzer Emulator for Power Electronics Testing Applications

This article aims to develop a proton exchange membrane (PEM) electrolyzer emulator. This emulator is realized through an equivalent electrical scheme. It allows taking into consideration the dynamic operation of PEM electrolyzers, which is generally neglected in the literature. PEM electrolyzer dynamics are reproduced by the use of supercapacitors, due to the high value of the equivalent double-layer capacitance value. Steady-state and dynamics operations are investigated in this work. The design criteria are addressed. The PEM electrolyzer emulator is validated by using a 400-W commercial PEM electrolyzer. This emulator is conceived to test new DC-DC converters to supply the PEM ELs and their control as well, avoiding the risk to damage a real electrolyzer for experiment purposes. The proposed approach is valid both for a single cell and for the whole stack emulation

Control algorithm of fuel cell/photovoltaic hybrid power plant with Li-ion battery and supercapacitor energy storage devices for grid independent applications

International audienc

DC Link Stabilization of Single-Phase Power Factor Correction by Using Differential Flatness-Based Control Approach

International audienceIn high power and high dynamics applications (such UPS or Welding Machine) to reduce line current harmonics, power factor correction PFC regulators are essential. This paper presents an innovative control law for a single-phase PFC boost converter. This kind of system is a nonlinear behavior. Classically, to control the voltage and the current in the converter, a linearized technique is often used to study the stability and to select the controller parameters of the nonlinear converter. In this paper, a nonlinear-control algorithm based on the flatness property of the system is proposed. Utilizing the flatness theory, we propose uncomplicated solutions to the system performance and stabilization problems. To validate the proposed method, a prototype single-phase PFC converter (1-kW, 360-Vdc is realized in the laboratory. The proposed control law is implemented by digital estimation in a dSPACE 1104 controller card. Experimental results in the laboratory corroborate the excellent control scheme

Photovoltaic power control based on differential flatness approach of multiphase interleaved boost converter for grid connected applications

International audienceA proposed parallel power converter with interleaving algorithm is chosen to boost a low dc voltage of photovoltaic (PV) to a dc bus utility level and then follows by inverter. Converters are controlled by interleaved switching signals, which have the same switching frequency and the same phase shift. By virtue of paralleling the converters, the input current can be shared among the cells or phases, so that high reliability and efficiency in power electronic systems can be obtained. In this paper, a nonlinear-control algorithm based on the flatness property of the system is proposed. Flatness provides a convenient framework for meeting a number of performance specifications on the power converter. To validate the proposed method, a prototype PV power converter (1.2-kW two-phase boost converters in parallel) is realized in the laboratory. The proposed control law based on the flatness property is implemented by digital estimation in a dSPACE 1104 controller card. Experimental results in the laboratory corroborate the excellent control scheme