Élimination harmonique sélective dans un onduleur multiniveau de type T avec réduction du nombre d’interrupteurs utilisant l’algorithme Sea‑Horse

Une alimentation plus propre grâce à un commutation plus intelligente

Chaque fois que l’électricité issue de panneaux solaires, d’éoliennes ou d’entraînements industriels rejoint le réseau, elle passe par des dispositifs électroniques qui la reconfigurent. Ces dispositifs, appelés onduleurs, peuvent involontairement introduire du « bruit » électrique dans le réseau, gaspillant de l’énergie et sollicitant les équipements. Cet article explore une nouvelle manière de concevoir et de commander un type particulier d’onduleur afin de fournir une puissance plus lisse et plus propre tout en utilisant moins de composants électroniques, ce qui pourrait rendre les systèmes renouvelables et industriels à la fois plus efficaces et plus abordables.

Pourquoi les onduleurs modernes ont besoin d’une amélioration

Les onduleurs traditionnels commutent la tension très rapidement pour imiter les sinusoïdes lisses de l’électricité du réseau. Les onduleurs multiniveau améliorent cela en empilant plusieurs paliers de tension plus petits, ce qui rend la sortie beaucoup plus proche d’une véritable sinusoïde. Cela signifie une meilleure qualité de puissance, moins d’interférences électriques, des filtres plus petits et moins de contraintes sur les composants. Cependant, les configurations multiniveau classiques nécessitent de nombreux interrupteurs, des circuits de pilotage et parfois des condensateurs supplémentaires ou des sources d’alimentation isolées. Cette complexité accrue augmente le coût, l’encombrement et le risque de défaillance, en particulier dans les systèmes haute et moyenne tension tels que les grandes centrales solaires, les parcs éoliens, les transports électriques et l’industrie lourde.

Un matériel plus simple avec de nombreux niveaux

Les auteurs se concentrent sur une architecture spécifique appelée onduleur de type T à 9 niveaux. Leur version est une conception à « nombre réduit d’interrupteurs », ce qui signifie qu’elle produit neuf paliers de tension distincts tout en utilisant moins d’interrupteurs de puissance que les circuits multiniveau conventionnels. Cela réduit les pertes de commutation, la complexité de commande et l’espace nécessaire, tout en fournissant une forme d’onde de tension finement graduée qui peut approcher étroitement une sinusoïde. En raison de l’agencement du circuit, chaque niveau de tension est produit par une combinaison unique d’interrupteurs, et aucun composant supplémentaire n’est nécessaire pour maintenir l’équilibre des tensions internes. Cela rend le matériel plus simple à fabriquer et à exploiter tout en visant une faible distorsion et une haute efficacité.

Cibler les composantes indésirables de la forme d’onde

Même avec de nombreux paliers de tension, les onduleurs génèrent des harmoniques — des composantes à des fréquences supérieures à la fréquence principale du réseau. Ces harmoniques peuvent chauffer les équipements, perturber l’électronique sensible et réduire l’efficacité globale. L’article utilise une stratégie appelée élimination harmonique sélective, qui choisit les instants précis d’ouverture et de fermeture des interrupteurs de sorte que certaines harmoniques problématiques s’annulent dans la sortie finale. Mathématiquement, cela revient à résoudre un ensemble difficile d’équations non linéaires pour trouver des angles de commutation précis qui conservent le niveau de tension principal souhaité tout en réduisant un ensemble choisi de composantes harmoniques. Comme ces équations sont difficiles à résoudre directement, les ingénieurs recourent souvent à des méthodes de recherche et d’optimisation pour trouver de bonnes solutions.

Une recherche inspirée du cheval‑de‑mer pour de meilleurs réglages

Les chercheurs appliquent ici une approche d’optimisation relativement nouvelle appelée Sea‑Horse Optimizer. Cet algorithme imite la façon dont les hippocampes se déplacent, chassent et se reproduisent dans l’océan : il combine des recherches locales en spirale, des excursions aléatoires plus longues et une manière structurée de combiner des candidats prometteurs. En pratique, chaque jeu possible d’angles de commutation est traité comme un hippocampe dans une population. Au fil de nombreuses itérations, l’algorithme pousse ces candidats vers des combinaisons qui donnent une distorsion harmonique plus faible et une tension de sortie précise. L’équipe compare cette méthode à deux techniques d’optimisation bien connues — les algorithmes génétiques et l’optimisation par essaim de particules — sur un large éventail de conditions de fonctionnement reflétant l’usage réel des onduleurs.

Ce que révèlent les simulations

Les auteurs construisent un modèle informatique détaillé d’un onduleur triphasé de type T à 9 niveaux et le font fonctionner à de nombreux points de fonctionnement, du très faible au plein régime. Pour chaque point de fonctionnement, ils laissent les trois algorithmes chercher des angles de commutation qui minimisent la distorsion harmonique. Le Sea‑Horse Optimizer trouve systématiquement des solutions avec des formes d’onde plus lisses, une distorsion harmonique totale plus faible et, en particulier, de très faibles niveaux des harmoniques clés qui importent aux ingénieurs. À pleine puissance, sa mesure des harmoniques sélectionnés est d’environ un sixième à un dixième des valeurs obtenues par les autres méthodes, tout en maintenant la tension principale très proche de sa consigne. Il atteint aussi de bonnes solutions avec moins d’essais de calcul, ce qui signifie qu’il pourrait être plus rapide et moins coûteux à utiliser dans des outils de conception ou des contrôleurs embarqués.

Ce que cela implique pour les systèmes électriques futurs

En termes simples, l’étude montre qu’un design d’onduleur judicieusement simplifié, guidé par un algorithme de recherche inspiré de la nature, peut fournir une électricité plus propre avec moins de composants. L’optimiseur inspiré des hippocampes aide l’onduleur à façonner sa sortie pour réduire fortement le bruit électrique indésirable, tandis que la configuration à nombre réduit d’interrupteurs maintient le matériel compact et efficace. Bien que les résultats proviennent de simulations et supposent encore des interrupteurs idéaux, ils ouvrent la voie à des convertisseurs de puissance plus fiables et plus économiques pour les énergies renouvelables, les transports et l’industrie. Avec des tests supplémentaires, y compris du hardware‑in‑the‑loop et de vrais prototypes, cette approche pourrait aider les réseaux futurs à intégrer davantage d’énergie propre sans sacrifier la stabilité ou la durée de vie des équipements.

Citation: Hussain, AS.T., Almulaisi, T., Desa, H. et al. Selective harmonic elimination in T-type multilevel inverter with reduced switch count using Sea-Horse Algorithm. Sci Rep 16, 13777 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46979-9

Mots-clés: onduleur multiniveau, réduction des harmoniques, électronique de puissance, optimisation métaheuristique, intégration des énergies renouvelables