Contribution à la modélisation et à la simulation d'un convertisseur 3p-MAB : application aux bornes de recharge pour bateau de pêche hybride

RÉSUMÉ : Ce mémoire s'inscrit dans la continuité des efforts de décarbonation et de durabilité de l'industrie de la pêche québécoise. L'hybridation des bateaux de pêche apparaît comme une solution prometteuse pour réduire les émissions de polluants et améliorer la rentabilité des entreprises de pêche. Toutefois, son déploiement est actuellement ralenti par de nombreuses barrières techniques. Parmi celles-ci, on retrouve notamment l'absence d'infrastructures de recharge adaptées aux besoins saisonniers ainsi que leur faible rentabilité pour les gestionnaires de port. Ce projet vise à explorer un concept de borne de recharge flexible et multi-source qui permettrait de limiter l'impact sur le réseau de distribution, d'augmenter le retour sur investissement et de valoriser l'utilisation des énergies renouvelables. Le mémoire propose d'utiliser la topologie du convertisseur triphasé à plusieurs ponts actifs (3p-MAB) comme élément central de la borne. Trois (3) objectifs structurent cette recherche : (1) élaborer un concept de borne autour de la topologie du 3p-MAB en intégrant les contraintes des pêcheurs, des ports et du distributeur ; (2) développer, implémenter et valider un modèle analytique du 3p-MAB en régime permanent ; et (3) évaluer les contraintes sur le convertisseur pour des scénarios typiques d'utilisation de la borne. Le concept de borne repose sur un convertisseur de type 3p-MAB à quatre (4) ports. Il assure l'interconnexion bidirectionnelle avec le réseau électrique (port 1) et les batteries stationnaires de la borne (port 2), ainsi que la connexion unidirectionnelle aux panneaux photovoltaïques de la borne (port 3) et la recharge des batteries embarquées des navires (port 4). Durant la saison de pêche, les batteries de la borne de recharge sont chargées par le réseau et par les panneaux photovoltaïques lorsque les bateaux de pêche sont en mer. Lorsque les bateaux sont à quai, les batteries embarquées dans les bateaux peuvent être chargées en utilisant le réseau, les batteries de la borne et les panneaux photovoltaïques. Hors saison de pêche, la borne fonctionne en autoproduction et permet d'injecter l'énergie solaire et l'énergie des batteries de la borne au réseau. Sur le plan méthodologique, le convertisseur est premièrement modélisé avec un modèle détaillé dans le domaine du temps sous le logiciel EMTP®. Un modèle analytique en régime permanent est ensuite développé en utilisant la technique de modélisation linéaire par morceaux et une implémentation symbolique sous MATLAB®. Ce modèle calcule de façon systématique les grandeurs importantes comme les valeurs initiales, crêtes, efficaces et moyennes des courants de même que les frontières de commutation douce pour chaque port du convertisseur. La précision du modèle analytique est validée avec le modèle détaillé dans le domaine du temps. Une étude de cas permet finalement de mettre en évidence la flexibilité de gestion de l'énergie du concept proposé à l'échelle journalière, notamment l'utilisation du réseau en période de faible ensoleillement et usage des batteries de la borne pour réduire les pointes associées à la recharge des bateaux. Deux contributions majeures se dégagent de ce mémoire. Premièrement, le modèle analytique implémenté sous MATLAB® permet de réaliser des études paramétriques avancées sans avoir recours à de multiples simulations temporelles en lot. Cela permet d'accélérer le processus de conception et d'analyse de cette topologie de convertisseur. Deuxièmement, l'application de ce modèle à une borne multi-source adaptée aux réalités portuaires québécoises montre le potentiel de faisabilité technique d'une infrastructure de recharge durable conciliant flexibilité d'exploitation et réduction de l'empreinte carbone. -- Mot(s) clé(s) en français : borne de recharge multi-source, convertisseur 3p-MAB, bateau de pêche hybride, gestion de l'énergie, commutation douce à tension nulle, MATLAB®, EMTP®. -- ABSTRACT : This thesis is part of ongoing efforts to decarbonize and improve sustainability in Quebec's fishing industry. Hybridization of fishing boats appears to be a promising solution for reducing pollutant emissions and improving the profitability of fishing companies. However, its deployment is currently being slowed down by numerous technical barriers. These include the lack of charging infrastructure adapted to seasonal needs and its low profitability for port managers. This project aims to explore a flexible, multi-source charging station concept that would limit the impact on the distribution network, increase return on investment, and promote the use of renewable energy. The thesis proposes using the topology of the three-phase multi-active bridge (3p-MAB) converter as the central element of the terminal. Three (3) objectives structure this research: (1) develop a terminal concept based on the 3p-MAB topology, integrating the constraints of fishermen, ports, and distributors; (2) to develop, implement, and validate an analytical model of the 3p-MAB in steady state; and (3) to evaluate the constraints on the converter for typical scenarios of terminal use. The charging station concept is based on a four (4)-port 3p-MAB converter. It provides bidirectional interconnection with the electrical grid (port 1) and the station's stationary batteries (port 2), as well as unidirectional connection to the station's photovoltaic panels (port 3) and recharging of the vessels' onboard batteries (port 4). During the fishing season, the charging station's batteries are charged by the grid and by the photovoltaic panels when the fishing boats are at sea. When the boats are docked, the batteries on board the boats can be charged using the grid, the charging station's batteries, and the photovoltaic panels. Outside the fishing season, the terminal operates in self-production mode, feeding solar energy and energy from the terminal's batteries into the grid. Methodologically, the converter is first modeled with a detailed time-domain model using EMTP® software. A steady-state analytical model is then developed using piecewise linear modeling and symbolic implementation in MATLAB®. This model systematically calculates important quantities such as the initial, peak, effective, and average values of the currents, as well as the soft switching boundaries for each port of the converter. The accuracy of the analytical model is validated with the detailed time-domain model. Finally, a case study highlights the flexibility of the proposed concept's energy management daily, particularly the use of the grid during periods of low sunlight and the use of the terminal's batteries to reduce peaks associated with boat recharging. Two major contributions emerge from this thesis. First, the analytical model implemented in MATLAB® allows advanced parametric studies to be carried out without resorting to multiple batch time simulations. This speeds up the design and analysis process for this converter topology. Second, the application of this model to a multi-source terminal adapted to the realities of Quebec ports demonstrates the technical feasibility of a sustainable charging infrastructure that combines operational flexibility with a reduced carbon footprint. -- Mot(s) clé(s) en anglais : multi-source charging station, 3p-MAB converter, hybrid fishing boat, energy management, soft zero-voltage switching, MATLAB®, EMTP®.

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