EP2845302A1 - Dispositif de controle non-lineaire d'un convertisseur dc/dc pour application au transport de courant hvdc - Google Patents

Dispositif de controle non-lineaire d'un convertisseur dc/dc pour application au transport de courant hvdc

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Publication number
EP2845302A1
EP2845302A1 EP13719810.7A EP13719810A EP2845302A1 EP 2845302 A1 EP2845302 A1 EP 2845302A1 EP 13719810 A EP13719810 A EP 13719810A EP 2845302 A1 EP2845302 A1 EP 2845302A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
voltage
converter
conversion
source
level
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP13719810.7A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Abdelkrim Benchaib
Miguel JIMENEZ CARRIZOSA
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Technology GmbH
Original Assignee
Alstom Technology AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Alstom Technology AG filed Critical Alstom Technology AG
Publication of EP2845302A1 publication Critical patent/EP2845302A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/33569—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33573—Full-bridge at primary side of an isolation transformer
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/01—Resonant DC/DC converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
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    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade

Definitions

  • the invention is in the field of transmission of electrical energy at very high voltage direct current. It relates more particularly to the non-linear control of DC / DC conversion devices.
  • These parks consist of a multitude of energy sources (wind generators, tidal generators, solar panels) and a associated power electronics.
  • the power electronics of a fleet is traditionally connected to a remote power distribution network via AC three-phase lines.
  • HVDC High Voltage Direct Current
  • high voltage is meant voltages greater than ten kilo volts.
  • Figure la illustrates the general pattern of an electricity grid using HVDC transmission lines, where the renewable energy source is a wind farm.
  • the network 1 consists of a power source 10 of the wind farm type, which delivers a low voltage AC three-phase current, the power of which depends on the wind force.
  • the electrical network 1 comprises an AC / DC converter 20, or rectifier and a low voltage / high voltage converter DC / DC 30.
  • the converters 20 and 30 are installed in a submerged platform near the wind farm.
  • the AC / DC converter 20 converts the three-phase AC voltage supplied by the energy source 10 into a single-phase DC voltage.
  • the DC / DC converter 30 converts the low DC voltage output of the rectifier 20 into a high DC voltage, in order to inject it into high voltage HVDC cables 40, for example several hundred kilometers long. These cables are connected to a DC / AC converter 50, or inverter, based on the ground and which supplies power to the electricity distribution network 60 in three-phase AC current.
  • Figure lb illustrates the general diagram of an electricity network using HVDC transmission lines, when the renewable energy source is a photovoltaic park.
  • the network 1 consists of a power source 10 'of the photovoltaic park type, which delivers a low voltage DC current, the power of which depends on the insolation.
  • the electrical network 1 comprises a DC / DC converter 20 '(and its control) which implements real-time tracking techniques of the maximum power point tracking (MPPT) of the photovoltaic park.
  • the DC / DC converter 30 converts the low DC voltage to the output of the DC / DC converter 20 'into a high DC voltage.
  • the converter 30 is bidirectional. This property is fundamental because it makes it possible to implement a dynamic energy storage in order to deliver a constant power to the electricity distribution network 60, independently of the variations in the power supplied by the energy source or variations in the power supply. the demand for energy.
  • accumulators 70a, 70b are respectively placed on the low voltage side and the DC / DC converter high voltage side 30 in order to implement the dynamic energy storage.
  • the bidirectional character of the converter 30 is furthermore used to recharge these accumulators.
  • the accumulator 70a is also used for the implementation of real-time tracking techniques of the maximum power point.
  • FIG. 1 illustrates the general diagram of an electricity network 1 using HVDC transmission lines, when the energy sources comprise a photovoltaic park and a wind farm, situated for example a few kilometers apart from each other. .
  • the elements of the network described in FIGS. 1a, 1b and 1c carrying identical references have the same function and will therefore not be described for the sake of brevity.
  • the DC / DC converter receives low DC voltages from a plurality of power sources and transfers a high voltage to an electricity distribution network 60.
  • DAB Dual Active Bridge
  • ZVS zero voltage switching
  • ZCS zero current
  • FIG. 2 An example of a DC / DC converter 30 'in DAB topology is illustrated in FIG. 2. It comprises two bi-directional DC / AC converters 20a, 20b, mounted symmetrically and isolated by a transformer 21 comprising a primary 21a, a secondary 21b and an inductance 21b. leak 21c.
  • the transformer 21 is for example based on a single magnetic core with coils in both legs of the core.
  • a bidirectional DC / AC converter 20a is connected across the terminals of the primary 21a while the other bidirectional DC / AC converter 20b is connected across the terminals of the secondary 21b.
  • the transformation ratio m of the transformer is greater than or equal to 1, so that the bidirectional DC / AC converter 20b connected to the terminals of the secondary is called a high-voltage converter.
  • the other bidirectional DC / AC converter is by contrast called low voltage converter 20a.
  • the low-voltage converter 20a is connected to the output of the rectifier 20 or the DC / DC converter 20 'and has at its terminals the voltage V in
  • the high-voltage converter 20b is connected to the HVDC lines 40 and has its terminals the voltage V out .
  • Each of the high voltage 20b and low voltage converters 20a contains a plurality of switches in single phase bridge configuration.
  • the low-voltage converter 20a comprises four switches J1, J2, J3, J4 and a capacitor C1.
  • the switches J1 and J3 are located on a first arm while the switches J2 and J4 are located on a second arm.
  • the resonance capacitance C1 is put in parallel with the first arm, at the input of the bridge.
  • the primary 21a is connected to the low voltage converter 20a via a first node between the switches J1 and J3 and via a second node between the switches J2 and J4.
  • the high-voltage converter 20b comprises four switches J5, J6, J7, J8 and a capacitor C2.
  • the switches J5 and J7 are located on a second arm while the switches J6 and J8 are located on a first arm.
  • the resonance capacitance C2 is paralleled with the first arm.
  • the secondary 20b is connected to the high voltage converter 20b via a first node between the switches J6 and J8 and via a second node between the switches J5 and J7.
  • the switches J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 are conventionally bidirectional transistors of the field effect type (FET).
  • FET field effect type
  • the leakage inductance 21c, of inductance L, of the transformer acts as a power transfer component between the low voltage DC / AC converter 20a and the high voltage DC / AC converter during a switching period T.
  • a coil can also be placed in series, or in parallel, between the primary and the low voltage converter 20a for this purpose.
  • the switches of the DC / DC converter in DAB topology are controlled by means of a control circuit.
  • the switches J1, J2, J3, J4 of the low-voltage converter are controlled to convert, during a switching period. T, a DC voltage V in the terminals of the low voltage converter 20a into a voltage V AC in 'to the primary 21a. The current in the low voltage DC / AC converter is then positive. Switches the high voltage converter 20b are controlled to convert, during the same switching period T, an AC voltage V out 'across the secondary 21b into a DC voltage V out across the high voltage converter 20b.
  • the DC / DC converter in DAB topology that has just been described does not make it possible to transfer power from a plurality of renewable energy sources to an electricity distribution network via HVDC high-voltage lines.
  • the low voltage converter 20a has at its terminals a voltage of the order of 1000V and a current of 1000A
  • the high voltage converter 20b has at its terminals a voltage of the order of 10000V and a current of 100A.
  • the switches of the high voltage DC / AC converter must withstand very high voltages. This requires the choice of transistors with very large blocking voltages in order to reduce the conduction losses of the switches of the DC / DC converter.
  • SiC MOSFETs up to 10 kV and Sic JFETs up to 6.5 kV. These values however remain insufficient and do not make it possible to use, without risk of deterioration of the transistors, the DAB topology for the DC / DC conversion with voltages at the output of the DC / AC high voltage converter of the order of about ten kilovolts. .
  • the transistors are sized for maximum power that the source can theoretically provide.
  • the source produces a power that is dependent on external conditions (wind, underwater currents, sunshine) and is mostly below its maximum theoretical value.
  • the transistors then have significant switching losses which reduces the efficiency of the DC / DC converter in DAB topology.
  • a solution envisaged in the state of the art for using a DAB topology for high power DC / DC converters is the production of multi-level DC / DC converters in which n similar DAB converters, with n ⁇ 2, are placed. in parallel-series.
  • FIG. 3 illustrates a diagram of a DC / DC converter 30 '' with two levels, in which each level corresponds to a DC / DC converter.
  • Bidirectional 30 'in DAB topology as described in connection with FIG.
  • the multi-level converter receives a voltage V in and a current iin-totai ⁇ At the output, it produces a voltage V out _ tota i and a current ⁇ ⁇ .
  • the inputs of the DC / AC low voltage converters of the 2 levels are connected in series so that each level receives the same voltage V in and a current
  • Each level acts as a voltage booster since it multiplies the input voltage V in received at its DC / AC low voltage converter by a conversion ratio m, with m> 1.
  • V out m. V in .
  • the advantage of such a configuration is that the voltage V out _ total at the output of the converter is equal to the sum of the voltages V out at the output of each of the n levels.
  • An appropriate choice of the value n and of the conversion ratio m makes it possible to obtain a high voltage Vout-totai while limiting the maximum voltage, or the maximum current, which the switches of the high voltage DC / AC converter, respectively low voltage, must bear. each level. of the Commercially available transistors can then be used.
  • n and m are such as to limit switching and conduction losses in each level and to reduce the risk of slamming the transistors. This last point is particularly advantageous for the application to submerged power electronics of an offshore wind farm which is, understandably, difficult to access in case of repair to be performed.
  • the control of a DAB converter must ensure a high stability of the DC / DC conversion which is a necessary condition to ensure the overall stability of the electricity network as described in relation to FIGS. 1a, 1b and 1c.
  • Sources of instability for example described in the article entitled “Stability Analysis of High-Power DC Grids", by Mura et al., IEEE, are imbalances, distortions and other disturbances from the electronic components of the converters.
  • the AC / DC converters 20 or DC / AC 50 controlled by MLI type modulation techniques (PWM)
  • PWM MLI type modulation techniques
  • One of the objectives of the invention is to design a bidirectional multi-level DC / DC converter and its non-linear control, adapted to the transfer of power between at least one energy source and an electricity distribution network.
  • a multi-level DC / DC converter comprising n conversion stages, n being greater than or equal to 2, said converter being characterized in that it is adapted to bidirectionally transfer power between at least one source elementary DC voltage on the one hand, and a DC voltage network source on the other hand, the voltage of said network source being greater than that of each of said elementary sources, each of the conversion stages comprising:
  • a conversion module adapted to bidirectionally transfer power between one of the DC voltage source sources on the one hand and said DC voltage network source on the other hand, said conversion module comprising a transformer with a primary and a secondary and a leakage inductance, the transformation ratio of said transformer being greater than 1, said module further comprising a first converter and a second converter, each of said converters containing a plurality of bidirectional gate control switches in single-phase bridge configuration for converting a DC voltage to an AC voltage, said first converter being connected across said primary, said second converter being connected across said secondary said primary having at its terminals a first AC voltage and said secondary having at its terminals a second AC voltage, said first converter having at its terminals a first DC voltage given by the elementary source at the terminals of which it is connected and said second converter having at its terminals a second DC voltage given by said network source;
  • control module in each of said levels, said control module being connected to the gates of the switches of said conversion module to control their switching states during a switching period T, said control module comparing the value of the current in said first converter with a reference current and adjusting the phase shift between the AC primary and secondary voltages of said transformer obtained by switching said switches according to the result of the comparison so as to adjust the power transmitted by the conversion module;
  • the second converters of said levels being connected in parallel, the sum of the n voltages at the output of said second converters being equal to the voltage of the mains source.
  • at least two conversion modules are connected to the same elementary voltage source.
  • a value of the reference current is transmitted to each of the n control modules by a CPU module.
  • the converter according to the invention comprises at least one reserve level, the reference current value of the control module of said reserve module being zero.
  • Figure la already described, illustrates the general diagram of an electricity network using HVDC transmission lines, when the energy source is a wind farm.
  • FIG. 1b already described, illustrates the general diagram of an electricity network using HVDC transmission lines, when the energy source is a photovoltaic park.
  • Figure 1c already described, illustrates the general diagram of an electricity network using HVDC transmission lines, when the energy sources are a photovoltaic park and a wind farm.
  • FIG. 2 already described, illustrates the electrical diagram of a DC / DC converter in DAB topology
  • FIG. 3 already described, illustrates a diagram of a multi-level DC / DC converter in DAB topology.
  • the idea underlying the invention is to design a multi-level bidirectional DC / DC conversion system for HVDC applications from DC / DC conversion modules and independent control modules. .
  • the conversion system according to the invention is intended to be integrated in an electrical network, in order to convert (bidirectionally) one or more low DC voltages into a high DC voltage which can be transmitted to a power distribution network via HVDC high voltage lines.
  • the modularity of the multi-level converter according to the invention offers a plug-and-play approach since each level of the multi-level DC / DC converter is independent of the others and the interventions / settings to be made to install or uninstall a level are then minimal.
  • the independence of the level control makes it possible to deactivate / activate a level without disturbing the stability of the multi-level DC / DC converter according to the invention.
  • FIGS. 1a, 1b, 1c and 2 More precisely, the multi-level DC / DC converter according to the invention is described in relation to FIGS. 1a, 1b, 1c and 2.
  • the multi-level DC / DC converter is suitable for bidirectional transfer of power between at least one elementary DC voltage source on the one hand, and a single DC voltage network source on the other hand.
  • the voltage at the terminals of the mains source is greater than the voltage (s) at the terminals of the elementary voltage source (s).
  • the network source may include the storage element 70b and the electricity distribution network 60 connected to the multi-level DC / DC converter via the HVDC cables 40 and the converter 50. .
  • the DC network source can receive DC voltage from the multi-level DC / DC converter, but can also provide a DC voltage to the multi-level DC / DC converter.
  • the DC voltage source element may comprise the storage element 70a and a power source 10, 10 'as well as its power electronics which provide a low DC voltage.
  • a DC elementary source can thus receive a DC voltage from the multi-level DC / DC converter, but can also provide a DC voltage to the multi-level DC / DC converter.
  • the energy source is for example a renewable energy source such as a wind farm, a tidal generating fleet or a park of photovoltaic panels.
  • An elementary source of DC voltage can also be an element of electrical energy storage.
  • the multi-level DC / DC converter has n levels, with n> 2.
  • Each level is configured in the same way and includes a conversion module and a control module.
  • a conversion module comprises a DAB topology DC / DC converter as described with reference to FIG. 2.
  • a conversion module is adapted to bidirectionally transfer power between one of the DC voltage elementary sources to which it is connected. on the one hand, and the DC voltage network source on the other hand.
  • the DC / low voltage AC 20a of the kth level conversion module is connected across the primary 21a of the transformer 21 and has at its terminals a first DC voltage V in _ k given by elementary source across which it is connected.
  • the high-voltage DC / AC converter 20b of the k th level conversion module is connected to the terminals of the secondary 21b and has at its terminals a second DC voltage V out
  • the transformation ratio m of the k th level conversion module is greater than or equal to 1.
  • m is chosen so that m> V ° ut ,
  • Vin-max with V in _ max the maximum DC voltage that can be supplied by the elementary source to which the k th level conversion module is connected.
  • This choice of the value m makes it possible to implement switching techniques zero voltage in the switches J5, J6, J7, J8 of the DC / AC high voltage converter 20b.
  • all the high voltage DC / AC converters 20b of the n conversion modules are connected in parallel so that the sum V out of the n voltages at the output of the high voltage DC / AC converters 20b is equal to the voltage V or t -total given by the network source.
  • the multi-level DC / DC converter makes it possible to obtain a high voltage Vout-totai from one or a plurality of source (s) elementary voltage (s).
  • the multi-level DC / DC converter makes it possible to supply a DC voltage to each of the elementary voltage sources from a single source supplying a source.
  • voltage V or t-totai ⁇ Dynamic energy storage can then be implemented via the storage elements of the network.
  • each conversion module is sized according to the elementary voltage source to which it is connected.
  • the choice of components and transformer may vary from one conversion module to another.
  • At least two of the n levels of the multi-level DC / DC converter have the same elementary source of voltage in order to reduce the design constraints imposed on the their respective switches J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8.
  • the efficiency of the conversion carried out in these conversion modules is thus improved by the reduction of the switching losses as well as the conduction losses of the transistors.
  • the components of the level conversion modules having the same elementary voltage source are similar.
  • each level comprises a control module dedicated to the conversion module of this level.
  • control module is connected to only one conversion module. More specifically, a control module is connected to the gates of the switches J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 of a conversion module to control the switch states of the switches.
  • a control module provides robust nonlinear control of a conversion module for optimal use of the multi-level converter in an HVDC network, while allowing bidirectionality of the conversion.
  • the control module is similar in each of the levels, both in its structure and for the control algorithm that is implemented there.
  • control of a conversion module is easy because the control algorithm is developed for only one level since the control of other levels is identical because of the design of the multi-level DC / DC converter into identical modules and independent levels from the point of view of their control.
  • the switches of the conversion module are voltage-controlled and are, for example, transistors of the MOSFET, JFET or IGB type.
  • the control algorithm is developed so that a control module sends a setpoint to a conversion module so that the value of the current in the low voltage DC / AC converter 20a of the conversion module is equal to a reference current value. , rated .
  • the setpoint sent is the phase shift d between the AC primary voltage 21a, denoted V in 'and the AC secondary voltage 21b, denoted V 0 ut' > of the transformer of the conversion module.
  • the phase shift between these two AC voltages over a switching period T is obtained by switching the switches of the conversion module according to the result of the comparison between i and i m i-ref so as to adjust the power transmitted by the conversion module.
  • the sign of the reference current i m i ref is used to direct the flow of power, while its value adjusts the transmitted power level.
  • ⁇ -mi-ref> 0 then the power transfer takes place from an elementary source to the network source. If i m i-ref ⁇ 0 then the power transfer takes place from the network source to the elementary source. When i m i-ref is zero, then the level is disabled.
  • the instabilities on the value of the current can in particular come from imbalances or fluctuations of the voltage given by the elementary source of voltage and / or by the source of network, or losses of the switches.
  • a value of the reference current i ref m i, specific to each level, is transmitted to each control module by a CPU module.
  • control modules of the conversion modules which have the same source of elementary voltage receive the same reference current value.
  • the modulation scheme implemented is such that the average current across the leakage inductance is zero during a switching period T, so as to eliminate the short circuits and the saturation phenomena of the transformer and the inductor. .
  • the overall dynamic behavior of a conversion module is analyzed using the technique of average modeling in state space.
  • the modeling of a conversion module takes into account the conduction resistances of each switch in order to consider the conduction losses of the transistors J1, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8. .
  • the same type of transistor is used for the switches J1, J2, J3, J4 of the low voltage DC / AC converter 20a and the same type of transistor is used for the switches J5, J6, J7, J8 of the converter DC / AC high voltage 20b.
  • RDS is the conduction resistance is placed in series with each switch Jl, J2, J3, J4 and RDS conduction resistance is 2 is connected in series to each switch J5, J6, J7, J8.
  • the primary 21a receives a voltage V AC in 'and the transformer 21 transforms the voltage V in' voltage V out to its secondary 21b, with V in ' ⁇ V 0Ut '.
  • the secondary 21b When power transfer is directed from the high voltage converter 20b to the low-voltage converter 20a of a conversion module, the secondary 21b receives an AC voltage Vout 'and the transformer 21 transforms the voltage V out' voltage V in ' at its primary 21a, with V in ' ⁇ V 0Ut '.
  • the average modeling in state space of the conversion module is implemented over a switching period T. It is shown that over this period T, the average intensity i ml of the current in the low voltage DC / AC converter is governed by a first-order linear differential system with constant coefficients, such as:
  • the control algorithm of the conversion module is realized by means of the Lyapunov theory.
  • the sufficient condition to ensure the stability of the conversion module is to choose a iL > 0 and / 3 ⁇ 4 , > 0.
  • the values a iL and / 3 ⁇ 4 depend in particular on the components conversion module and are estimated via computer simulations.
  • This algorithm is implemented by a logic circuit of the control module.
  • the CPU module includes a communication module for communicating with an operator of the network.
  • the network operator provides the reference currents to be given to the control modules.
  • the CPU module is an autonomous module which itself calculates the reference currents to be transmitted to the control modules from a power to be transferred provided by the network operator.
  • the multi-level converter according to the invention comprises at least one reserve level.
  • a reserve level is a level at which the switches of the conversion module are switched only on the order of the network operator.
  • activation of the reserve level may occur in order to replace a defective level, which is then deactivated.
  • the establishment of reserve levels is particularly advantageous in the case where the conversion system according to the invention is installed in a submerged platform, by definition difficult to access.
  • the modularity of the converter according to the invention, in particular the single and independent control for each level thus avoids maintenance interventions and levels can be activated or deactivated remotely very simply.
  • the converter according to the invention comprises approximately 20% of spare modules.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

L'invention se rapporte à un convertisseur DC/DC multi-niveau bidirectionnel et sa commande non-linéaire, adapté au transfert de puissance entre au moins une source d'énergie et un réseau de distribution d'électricité.

Description

DISPOSITIF DE CONTROLE NON-LINEAIRE D'UN CONVERTISSEUR DC/DC POUR APPLICATION AU TRANSPORT DE COURANT HVDC.
DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE
L' invention se situe dans le domaine de la transmission de l'énergie électrique à très haute tension en courant continu. Elle concerne plus particulièrement la commande non-linéaire de dispositifs de conversion DC/DC.
ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE L'exploitation à grande échelle des énergies renouvelables est actuellement à l'étude dans de nombreux projets de réseaux électriques dans lesquels les sources d'énergies sont éloignées de plusieurs dizaines, voire centaines de kilomètres des consommateurs.
Il est en effet envisagé d'exploiter l'énergie éolienne ou marémotrice pour la réalisation de parcs offshore, afin de profiter de conditions de courants aériens ou marins favorables et de plus grandes surfaces exploitables. L'énergie photoélectrique est quant à elle actuellement exploitée via des parcs de panneaux solaires situés dans de vastes zones désertiques .
Ces parcs sont constitués d'une multitude de sources d'énergies (génératrices éoliennes, génératrices marémotrices, panneaux solaires) et d'une électronique de puissance associée. L'électronique de puissance d'un parc est traditionnellement reliée à un réseau distant de distribution d'électricité via des lignes triphasées en courant alternatif (AC) .
Cependant, les développements récents visent à remplacer les lignes AC par des lignes haute tension à courant continu, dites lignes HVDC (HVDC pour High Voltage Direct Current) .
Par haute tension, on entend des tensions supérieures à la dizaine de kilo Volt.
En effet, les avantages procurés par l'utilisation de lignes haute tension à courant continu sont nombreux. Parmi ceux-ci, on note que :
seuls deux conducteurs sont nécessaires au lieu de trois en tension alternative ;
le courant capacitif dans les lignes de transport d'électricité en courant continu est très faible ;
l'utilisation de la haute tension permet de diminuer la valeur du courant transportée par les câbles, et par conséquent les pertes en lignes dues à l'effet Joule,
l'utilisation de la haute tension en courant continu élimine les problèmes de synchronisation rencontrés par l'utilisation de plusieurs sources de courant AC .
Il est d'autre part connu que dans le cas des parcs offshore, seules les lignes haute tension à courant continu sont utilisables pour des connexions sous marines de plus de 60 km. La figure la illustre le schéma général d'un réseau d'électricité utilisant des lignes de transports HVDC, lorsque la source d'énergie renouvelable est un parc éolien .
Le réseau 1 se compose d'une source d'énergie 10 du type parc éolien, qui délivre un courant AC triphasé de basse tension, dont la puissance dépend de la force du vent .
Le réseau électrique 1 comprend un convertisseur AC/DC 20, ou redresseur et un convertisseur basse tension/haute tension DC/DC 30. Les convertisseurs 20 et 30 sont installés dans une plate forme immergée à proximité du parc éolien.
Le convertisseur AC/DC 20 convertit la tension AC triphasée fournie par la source d'énergie 10, en une tension DC monophasée. Le convertisseur DC/DC 30, convertit la basse tension DC en sortie du redresseur 20 en une haute tension DC, afin de l'injecter dans des câbles haute tension HVDC 40, par exemple longs de plusieurs centaines de kilomètres. Ces câbles sont reliés à un convertisseur DC/AC 50, ou onduleur, basé à terre et qui permet d'alimenter le réseau de distribution d'électricité 60 en courant AC triphasé.
La figure lb illustre le schéma général d'un réseau d'électricité utilisant des lignes de transports HVDC, lorsque la source d'énergie renouvelable est un parc photovoltaïque . Les éléments du réseau décrit en figures lb et la portant des références identiques ont la même fonction et ne seront donc pas décrit par souci de concision. Selon la figure lb, le réseau 1 se compose d'une source d'énergie 10' du type parc photovoltaïque, qui délivre un courant DC de basse tension, dont la puissance dépend de l'ensoleillement. Le réseau électrique 1 comprend un convertisseur DC/DC 20' (et sa commande) qui met en œuvre des techniques de poursuite en temps réel du point de puissance maximale (MPPT pour Maximum Power Point Tracking) du parc photovoltaïque. Le convertisseur DC/DC 30, convertit la basse tension DC en sortie du convertisseur DC/DC 20' en une haute tension DC .
Dans les schémas illustrés en figures la et lb, le convertisseur 30 est bidirectionnel. Cette propriété est fondamentale car elle permet de mettre en œuvre un stockage dynamique d'énergie afin de délivrer une puissance constante au réseau de distribution d'électricité 60, indépendamment des variations de la puissance fournie par la source d'énergie ou encore des variations de la demande d'énergie.
Ainsi, des accumulateurs 70a, 70b sont respectivement placés du côté basse tension et du côté haute tension convertisseur DC/DC 30 afin de mettre en œuvre le stockage dynamique d'énergie. Le caractère bidirectionnel du convertisseur 30 est en outre utilisé pour recharger ces accumulateurs.
Dans le cas où la source est du type parc photovoltaïque, l'accumulateur 70a est également utilisé pour la mise en œuvre des techniques de poursuite en temps réel du point de puissance maximale.
II est à noter que certaines recherches sont actuellement menées pour concevoir un convertisseur DC/DC 30 bidirectionnel qui puisse recevoir des puissances d'une pluralité de sources d'énergie afin de transférer une puissance totale à un réseau de distribution d'électricité 60 via des câbles haute tension HVDC 40. Ces recherches visent à utiliser la complémentarité des sources d'énergies renouvelables.
La figure le illustre le schéma général d'un réseau d'électricité 1 utilisant des lignes de transport HVDC, lorsque les sources d'énergies comprennent un parc photovoltaïque et un parc éolien, situées par exemple à quelques kilomètres l'une de l'autre. Les éléments du réseau décrit en figures le, lb et la portant des références identiques ont la même fonction et ne seront donc pas décrits par souci de concision. Dans le réseau 1, le convertisseur DC/DC reçoit de basses tensions DC d'une pluralité de sources d'énergie et transfère une haute tension à un réseau de distribution d'électricité 60.
Différentes topologies de convertisseurs DC/DC bidirectionnels peuvent être envisagées pour remplir la fonction dévolue au convertisseur basse tension/haute tension DC/DC 30. La topologie double pont, ou DAB (Dual Active Bridge) fait récemment l'objet d'études approfondies puisque elle permet de mettre en œuvre des techniques de commutation douce (dite aussi commutation spontanée) et qu'elle est immunisée contre les inductances parasites. D'autre part, cette topologie utilise un transformateur qui permet un isolement galvanique avantageux entre la basse tension et la haute tension. Enfin, La topologie DAB est avantageuse en ce qu'elle permet la mise en œuvre de techniques de modulation basées sur l'utilisation de rapports cycliques arbitraires afin de réduire la puissance réactive du transformateur ainsi que les pertes de commutation. En effet, des commutations à zéro de tension (ZVS pour Zéro voltage switching) , ou encore à zéro de courant (ZCS pour Zéro current switching) des commutateurs peuvent être mises en œuvre pour réduire les pertes en commutation.
Un exemple de convertisseur DC/DC 30' en topologie DAB est illustré en figure 2. Il comprend deux convertisseurs DC/AC 20a, 20b bidirectionnels, montés symétriquement et isolés par un transformateur 21 comprenant un primaire 21a, un secondaire 21b et une inductance de fuite 21c.
Le transformateur 21 est par exemple basé sur un noyau magnétique unique avec des bobinages dans les deux jambes du noyau.
Un convertisseur DC/AC bidirectionnel 20a est connecté aux bornes du primaire 21a tandis que l'autre convertisseur DC/AC bidirectionnel 20b est connecté aux bornes du secondaire 21b.
Le rapport m de transformation du transformateur est supérieur ou égal à 1 si bien que le convertisseur DC/AC bidirectionnel 20b connecté aux bornes du secondaire est appelé convertisseur haute-tension. L'autre convertisseur DC/AC bidirectionnel est par opposition nommé convertisseur basse tension 20a.
Si l'on considère l'intégration du convertisseur
DC/DC en topologie DAB dans le schéma des figures la ou lb, le convertisseur basse tension 20a est connecté à la sortie du redresseur 20 ou du convertisseur DC/DC 20' et a à ses bornes la tension Vin , tandis que le convertisseur haute tension 20b est connecté aux lignes HVDC 40 et a à ses bornes la tension Vout .
Chacun des convertisseurs haute tension 20b et basse tension 20a contient une pluralité de commutateurs en configuration de pont monophasé.
Ainsi, le convertisseur basse tension 20a comprend quatre commutateurs Jl, J2, J3, J4 et une capacité Cl. Les commutateurs Jl et J3 sont situés sur un premier bras tandis que les commutateurs J2 et J4 sont situés sur un second bras. La capacité de résonnance Cl est mise en parallèle du premier bras, en entrée du pont. Le primaire 21a est connecté au convertisseur basse tension 20a via un premier nœud entre les commutateurs Jl et J3 et via un second nœud entre les commutateurs J2 et J4.
Le convertisseur haute tension 20b comprend quatre commutateurs J5, J6, J7, J8 et une capacité C2. Les commutateurs J5 et J7 sont situés sur un second bras tandis que les commutateurs J6 et J8 sont situés sur un premier bras. La capacité de résonnance C2 est mise en parallèle du premier bras. Le secondaire 20b est connecté au convertisseur haute tension 20b via un premier nœud entre les commutateurs J6 et J8 et via un second nœud entre les commutateurs J5 et J7.
Les commutateurs Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 sont classiquement des transistors bidirectionnels du type à effet de champ (FET) . La bidirectionnalité des commutateurs et l'utilisation d'un transformateur 21 confèrent au convertisseur DC/DC en topologie DAB son caractère bidirectionnel.
L'inductance de fuite 21c, d'inductance L, du transformateur joue le rôle de composant de transfert d'énergie entre le convertisseur DC/AC basse tension 20a et le convertisseur DC/AC haute tension pendant une période de commutation T. Une bobine peut également être placée en série, ou en parallèle, entre le primaire et le convertisseur basse tension 20a à cette fin.
Les commutateurs du convertisseur DC/DC en topologie DAB sont commandés au moyen d'un circuit de commande .
Lorsque le convertisseur DC/DC en topologie DAB est utilisé pour transférer une puissance du convertisseur basse tension 20a vers le convertisseur haute tension 20b, les commutateurs J1,J2,J3,J4 du convertisseur basse tension sont commandés pour convertir, durant une période de commutation T, une tension DC Vin aux bornes du convertisseur basse tension 20a en une tension AC Vin' au primaire 21a. Le courant dans le convertisseur DC/AC basse tension est alors positif. Les commutateurs du convertisseur haute tension 20b sont commandés pour convertir, durant la même période de commutation T, une tension AC Vout' aux bornes du secondaire 21b en une tension DC Vout aux bornes du convertisseur haute tension 20b.
On comprend qu'un fonctionnement symétrique a lieu lorsque le convertisseur DC/DC en topologie DAB est utilisé pour transférer une puissance du convertisseur haute tension 20b vers le convertisseur basse tension 20a. Dans ce cas, le courant i dans le convertisseur DC/AC basse tension est négatif.
Le convertisseur DC/DC en topologie DAB qui vient d'être décrit ne permet pas de transférer une puissance à partir d'une pluralité de sources d'énergies renouvelables vers un réseau de distribution d'électricité via des lignes haute tension HVDC.
D'autre part, l'intégration d'un convertisseur DC/DC en topologie DAB dans un réseau électrique HVDC est limitée par son rendement faible à basse puissance et à haute puissance.
A titre illustratif, lorsque le convertisseur DC/DC en topologie DAB est utilisé pour un transfert de puissance de l'ordre d' 1 MW, le convertisseur basse tension 20a a à ses bornes une tension de l'ordre de 1000V et un courant de 1000A, et le convertisseur haute tension 20b a à ses bornes une tension de l'ordre de 10000V et un courant de 100A.
Ainsi, pour un transfert de puissance d'au moins 1 MW, les commutateurs du convertisseur DC/AC haute tension doivent supporter de très hautes tensions. Cela impose de choisir des transistors avec des tensions de blocage très importantes afin de réduire les pertes de conduction des commutateurs du convertisseur DC/DC.
Or, les tensions de blocage maximales actuellement atteintes par certains modèles de transistors en technologie MOSFET SiC ou JFET SiC sont de l'ordre de 1,2 kV.
Le développement de la technologie SiC laisse pourtant entrevoir une augmentation nette de la tension de blocage des MOSFET SiC jusqu'à 10 kV et des JFET Sic jusqu'à 6,5 kV. Ces valeurs demeurent cependant insuffisantes et ne permettent pas d'utiliser, sans risques de détérioration des transistors, la topologie DAB pour la conversion DC/DC avec des tensions en sortie du convertisseur DC/AC haute tension de l'ordre de la dizaine de kilovolts.
Par conséquent, pour des transferts de puissance de valeur supérieure au mégawatt, le rendement de conversion d'un convertisseur DC/DC en topologie DAB est faible.
De plus, les transistors sont dimensionnés pour une puissance maximale que la source peut théoriquement fournir. Cependant, la source produit une puissance qui est dépendante de conditions extérieures (vent, courants sous-marins, ensoleillement) et qui est la plupart du temps inférieure à sa valeur théorique maximale. Les transistors ont alors des pertes en commutation importantes ce qui diminue le rendement du convertisseur DC/DC en topologie DAB.
Une solution envisagée dans l'état de l'art pour utiliser une topologie DAB pour des convertisseurs DC/DC en haute puissance est la réalisation de convertisseurs DC/DC multi-niveau dans lesquels n convertisseurs DAB similaires, avec n≥ 2 , sont placés en parallèle-série.
Par similaire, on entend que les composants électroniques de chacun des niveaux sont les mêmes.
Plus précisément, la figure 3 illustre un schéma d'un convertisseur DC/DC 30'' à 2 niveaux, dans lequel chaque niveau correspond à un convertisseur DC/DC bidirectionnel 30' en topologie DAB tel que décrit en relation avec la figure 2.
Dans ce schéma, le convertisseur multi-niveau reçoit une tension Vin et un courant iin-totai · En sortie, il produit une tension Vout_totai et un courant ίουτ .
Les entrées des convertisseurs DC/AC basse tension des 2 niveaux sont branchées en série si bien que chaque niveau reçoit la même tension Vin et un courant
Chaque niveau agit en élévateur de tension puisqu'il multiplie la tension d'entrée Vin reçue au niveau de son convertisseur DC/AC basse tension par un rapport de conversion m, avec m > 1 . En sortie du convertisseur DC/AC haute tension de chaque niveau, la tension est donc Vout = m. Vin .
Les sorties des convertisseurs DC/AC haute tension de chaque niveau sont branchées en parallèle si bien qu'en sortie du convertisseur multi-niveau, on obtient la tension Vout_total = m.n.Vin et un courant I0UT = hn^al ·
L'avantage d'une telle configuration est que la tension Vout_total en sortie du convertisseur est égale à la somme des tensions Vout en sortie de chacun des n niveaux. Un choix approprié de la valeur n et du rapport de conversion m permet d'obtenir une tension Vout-totai élevée tout en limitant la tension maximale, ou le courant maximal que doivent supporter les commutateurs du convertisseur DC/AC haute tension, respectivement basse tension de chaque niveau. Des transistors aisément disponibles dans le commerce peuvent alors être utilisés.
Plus précisément, le choix des valeurs pour n et m est fait en sorte de limiter les pertes en commutation et de conduction dans chaque niveau et de diminuer le risque de claquer les transistors. Ce dernier point est particulièrement avantageux pour l'application à l'électronique de puissance immergée d'un parc éolien offshore qui est, on le comprend, difficile d'accès en cas de réparation à effectuer.
En revanche, il n'existe à l'heure actuelle aucun système de commande permettant d'assurer une commande robuste d'un tel convertisseur DC/DC multi-niveau en topologie DAB bidirectionnel utilisé dans le cadre de la transmission de fortes puissances en courant DC, avec des sources de tensions non-linéaires telles que les sources d'énergies renouvelables.
La commande d'un convertisseur DAB doit assurer une stabilité élevée de la conversion DC/DC qui est une condition nécessaire pour assurer la stabilité globale du réseau d'électricité tel que décrit en relation avec les figures la, lb et le.
Les sources d'instabilité, par exemple décrites dans l'article intitulé « Stability Analysis of high- Power DC Grids », de Mura et al., IEEE, sont des déséquilibres, des distorsions et autres perturbations provenant des composants électroniques des convertisseurs. Ainsi, et en référence avec les figures la,lb,lc, les convertisseurs AC/DC 20 ou DC/AC 50, contrôlés par des techniques de modulation du type MLI (PWM) , peuvent injecter des harmoniques de conduction en plus des composantes DC dans le réseau. Des oscillations conduisant à des résonnances et des problèmes de stabilité dans la conversion DC/DC peuvent alors apparaître.
Un des objectifs de l'invention vise à concevoir un convertisseur DC/DC multi-niveau bidirectionnel et sa commande non-linéaire, adapté au transfert de puissance entre au moins une source d'énergie et un réseau de distribution d'électricité.
EXPOSÉ DE L' INVENTION
Cet objectif est atteint par un convertisseur multi-niveau DC/DC comprenant n étages de conversion, n étant supérieur ou égal à 2, ledit convertisseur étant caractérisé en ce qu'il est adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance entre au moins une source élémentaire de tension DC d'une part, et une source de réseau de tension DC d'autre part, la tension de ladite source de réseau étant supérieure à celle de chacune desdites sources élémentaires, chacun des étages de conversion comprenant :
un module de conversion adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance entre une des sources élémentaires de tension DC d'une part, et ladite source de réseau de tension DC d'autre part, ledit module de conversion comprenant un transformateur avec un primaire et un secondaire et une inductance de fuite, le rapport de transformation dudit transformateur étant supérieur à 1, ledit module comprenant en outre un premier convertisseur et un second convertisseur, chacun desdits convertisseurs contenant une pluralité de commutateurs bidirectionnels à commande de grille en configuration de pont monophasé pour convertir une tension DC en une tension AC, ledit premier convertisseur étant connecté aux bornes dudit primaire, ledit second convertisseur étant connecté aux bornes dudit secondaire, ledit primaire ayant à ses bornes une première tension AC et ledit secondaire ayant à ses bornes une seconde tension AC, ledit premier convertisseur ayant à ses bornes une première tension DC donnée par la source élémentaire aux bornes de laquelle il est connecté et ledit second convertisseur ayant à ses bornes une seconde tension DC donnée par ladite source de réseau ;
- un module de commande identique dans chacun desdits niveaux, ledit module de commande étant connecté aux grilles des commutateurs dudit module de conversion pour contrôler leurs états de commutation durant une période de commutation T, ledit module de contrôle comparant la valeur du courant dans ledit premier convertisseur avec un courant de référence et ajustant le décalage de phase entre les tensions AC au primaire et au secondaire dudit transformateur obtenues par la commutation desdits commutateurs en fonction du résultat de la comparaison de manière à ajuster la puissance transmise par le module de conversion ;
les seconds convertisseurs desdits niveaux étant mis en parallèle, la somme des n tensions en sortie desdits seconds convertisseurs étant égale à la tension de la source de réseau. De préférence, au moins deux modules de conversion sont connectés à la même source de tension élémentaire.
Selon l'invention, une valeur du courant de référence est transmise à chacun des n modules de contrôle par un module CPU.
Avantageusement, le convertisseur selon l'invention comprend au moins un niveau de réserve, la valeur de courant de référence du module de commande dudit module de réserve étant nulle.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture du mode de réalisation préférentiel de l'invention fait en référence aux figures jointes parmi lesquelles :
la figure la, déjà décrite, illustre le schéma général d'un réseau d'électricité utilisant des lignes de transport HVDC, lorsque la source d'énergie est un parc éolien.
- la figure lb, déjà décrite, illustre le schéma général d'un réseau d'électricité utilisant des lignes de transport HVDC, lorsque la source d'énergie est un parc photovoltaïque .
la figure le, déjà décrite, illustre le schéma général d'un réseau d'électricité utilisant des lignes de transport HVDC, lorsque les sources d'énergie sont un parc photovoltaïque et un parc éolien.
la figure 2, déjà décrite, illustre le schéma électrique d'un convertisseur DC/DC en topologie DAB ; la figure 3, déjà décrite, illustre un schéma d'un convertisseur DC/DC multi-niveau en topologie DAB .
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS L'idée à la base de l'invention est de concevoir un système de conversion DC/DC bidirectionnel multi-niveau pour des applications HVDC à partir de modules de conversion DC/DC et de modules de commande indépendants. Le système de conversion selon l'invention est destiné à être intégré dans un réseau électrique, afin de convertir (de manière bidirectionnelle) une ou plusieurs basses tensions DC en une haute tension DC qui pourra être transmise à un réseau de distribution d'électricité via des lignes hautes tension HVDC.
La modularité du convertisseur multi-niveau selon l'invention offre une approche de type plug-and-play puisque chaque niveau du convertisseur DC/DC multi- niveau est indépendant des autres et les interventions/paramétrages à effectuer pour installer ou désinstaller un niveau sont alors minimes.
D'autre part, l'indépendance de la commande des niveaux permet de désactiver/activer un niveau sans perturber la stabilité du convertisseur DC/DC multi- niveau selon l'invention.
Plus précisément, le convertisseur DC/DC multi- niveau selon l'invention est décrit en relation avec les figures la, lb, le et 2.
Le convertisseur DC/DC multi-niveau est adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance entre au moins une source élémentaire de tension DC d'une part, et une unique source de réseau de tension DC d'autre part.
La tension aux bornes de la source de réseau est supérieure à la ou les tension (s) aux bornes de la ou les source (s) de tension élémentaire ( s ) .
En référence avec les figures la, lb et le, la source de réseau peut comprendre l'élément de stockage 70b et le réseau de distribution d'électricité 60 relié au convertisseur DC/DC multi-niveau via les câbles HVDC 40 et le convertisseur 50.
Par conséquent, la source de réseau DC peut recevoir une tension DC issue du convertisseur multi- niveau DC/DC, mais peut aussi fournir une tension DC au convertisseur multi-niveau DC/DC.
En référence avec les figures la, lb et le, la source élémentaire de tension DC peut comprendre l'élément de stockage 70a et une source d'énergie 10,10' ainsi que son électronique de puissance qui fournissent une basse tension DC . Une source élémentaire DC peut ainsi recevoir une tension DC issue du convertisseur multi-niveau DC/DC, mais peut aussi fournir une tension DC au convertisseur multi-niveau DC/DC.
La source d'énergie est par exemple une source d'énergie renouvelable comme un parc éolien, un parc de génératrices marémotrices ou encore un parc de panneaux photovoltaïques .
Une source élémentaire de tension DC peut également être un élément de stockage d'énergie électrique. Le convertisseur multi-niveau DC/DC comprend n niveaux, avec n > 2.
Chacun des niveaux est configuré de la même manière et comprend un module de conversion et un module de commande .
Un module de conversion comprend un convertisseur DC/DC en topologie DAB tel que décrit en relation avec la figure 2. Un module de conversion est adapté à transférer de manière bidirectionnelle, une puissance entre une des sources élémentaires de tension DC à laquelle il est connecté d'une part, et la source de réseau de tension DC d'autre part.
Le convertisseur DC/AC basse tension 20a du module de conversion du k ième niveau, avec 1 < k < n, est connecté aux bornes du primaire 21a du transformateur 21 et a à ses bornes une première tension DC Vin_k donnée par la source élémentaire aux bornes de laquelle il est connecté.
Le convertisseur DC/AC haute tension 20b du module de conversion du k ième niveau, avec 1 < k < n, est quant à lui connecté aux bornes du secondaire 21b et a à ses bornes une seconde tension DC Vout
Le rapport de transformation m du module de conversion du k ième niveau est supérieur ou égal à 1.
De préférence, m est choisi de sorte que m > V°ut ,
Vin-max avec Vin_max la tension DC maximale que peut fournir la source élémentaire à laquelle est connecté le module de conversion du k ième niveau. Ce choix de la valeur m permet de mettre en œuvre des techniques de commutation à zéro de tension dans les commutateurs J5,J6,J7,J8 du convertisseur DC/AC haute tension 20b.
Selon l'invention, tous les convertisseurs DC/AC haute tension 20b des n modules de conversion sont mis en parallèle afin que la somme Vout des n tensions en sortie des convertisseurs DC/AC haute tension 20b soit égale à la tension Vout-totai donnée par la source de réseau .
Par conséquent, lorsque le transfert de puissance s'effectue des sources de tension élémentaires vers la source de réseau, le convertisseur DC/DC multi-niveau selon l'invention permet d'obtenir une haute tension Vout-totai à partir d'une ou d'une pluralité de source (s) de tension élémentaire ( s ) .
De même, lorsque le transfert de puissance s'effectue dans le sens contraire, le convertisseur DC/DC multi-niveau selon l'invention permet de fournir une tension DC à chacune des sources de tension élémentaires à partir d'une unique source délivrant une tension Vout-totai · Un stockage dynamique d'énergie peut alors être mis en œuvre via les éléments de stockage du réseau .
De préférence, chaque module de conversion est dimensionné en fonction de la source élémentaire de tension à laquelle il est connecté. Par conséquent, le choix des composants et du transformateur peut varier d'un module de conversion à un autre.
Selon un mode de réalisation de l'invention, au moins deux des n niveaux du convertisseur multi-niveau DC/DC ont la même source élémentaire de tension afin de diminuer les contraintes de dimensionnement imposées à leurs commutateurs Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 respectifs.
Le rendement de la conversion effectuée dans ces modules de conversion est ainsi amélioré par la réduction des pertes en commutation aussi bien que des pertes de conduction des transistors.
Les convertisseurs DC/AC basse tension des niveaux qui ont la même source élémentaire de tension sont alors mis en série.
De préférence, les composants des modules de conversion des niveaux ayant la même source élémentaire de tension sont similaires.
Selon l'invention, chaque niveau comprend un module de commande dédié au module de conversion de ce niveau.
Par dédié, on entend que le module de commande n'est connecté qu'à un seul module de conversion. Plus précisément, un module de commande est connecté aux grilles des commutateurs Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8 d'un module de conversion pour contrôler les états de commutation des commutateurs.
Un module de commande assure un contrôle non- linéaire robuste d'un module de conversion pour une utilisation optimale du convertisseur multi-niveau dans un réseau HVDC, tout en autorisant la bidirectionnalité de la conversion.
Le module de commande est similaire dans chacun des niveaux, à la fois dans sa structure et pour l'algorithme de commande qui y est implémenté.
Par conséquent, la mise en œuvre de la commande d'un module de conversion est aisée car l'algorithme de commande n'est élaboré que pour un seul niveau puisque le contrôle des autres niveaux est identique du fait de la conception du convertisseur DC/DC multi-niveau en modules identiques et en niveaux indépendants du point de vue de leur commande.
Les commutateurs du module de conversion sont commandés en tension et sont par exemple des transistors du type MOSFET, JFET ou encore IGB .
L'algorithme de commande est développé pour qu'un module de commande envoie une consigne à un module de conversion afin que la valeur du courant dans le convertisseur DC/AC basse tension 20a du module de conversion soit égale à une valeur de courant de référence, notée .
La consigne envoyée est le décalage de phase d entre la tension AC au primaire 21a, noté Vin' et la tension AC au secondaire 21b, notée V0ut' > du transformateur du module de conversion. Le décalage de phase entre ces deux tensions AC sur une période de commutation T est obtenu par la commutation des commutateurs du module de conversion en fonction du résultat de la comparaison entre i et imi-ref de manière à ajuster la puissance transmise par le module de conversion.
En effet, le signe du courant de référence imi-ref permet de diriger le flux de puissance, tandis que sa valeur ajuste le niveau de puissance transmise.
Plus précisément, et pour un niveau du convertisseur DC/DC multi-niveau, si ί-mi-ref > 0 alors le transfert de puissance a lieu d'une source élémentaire vers la source de réseau. Si imi-ref < 0 alors le transfert de puissance a lieu de la source de réseau vers la source élémentaire. Lorsque imi-ref est nul, alors le niveau est désactivé.
Les instabilités sur la valeur du courant peuvent notamment provenir des déséquilibres ou des fluctuations de la tension donnée par la source élémentaire de tension et/ou par la source de réseau, ou encore des pertes des commutateurs.
Une valeur du courant de référence imi-ref , propre à chaque niveau, est transmise à chaque module de commande par un module CPU.
De préférence, les modules de commande des modules de conversion qui ont la même source de tension élémentaire reçoivent la même valeur de courant de référence .
La conception de l'algorithme de commande va maintenant être décrite en relation avec un exemple de schéma de modulation des commutateurs d'un module de conversion, selon un mode de réalisation préféré de 1 ' invention .
Le schéma de modulation mis en œuvre est tel que le courant moyen aux bornes de l'inductance de fuite est nul durant une période de commutation T , de sorte à éliminer les courts-circuits et les phénomènes de saturation du transformateur et de l'inductance.
Le schéma de modulation détaillé ci-après n'est donné qu'à titre d'exemple et les principes de conception de l'algorithme mis en œuvre dans l'invention sont valables pour d'autres schémas de modulation .
Le comportement dynamique global d'un module de conversion est analysé au moyen de la technique de modélisation moyenne en espace d'état. Afin de mettre en œuvre cette technique, la modélisation d'un module de conversion prend en compte les résistances de conduction de chaque commutateur afin de considérer les pertes en conduction des transistors Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8.
D'autre part, un même type de transistor est utilisé pour les commutateurs Jl, J2, J3, J4 du convertisseur DC/AC basse tension 20a et un même type de transistor est utilisé pour les commutateurs J5, J6, J7, J8 du convertisseur DC/AC haute tension 20b.
Ainsi, une résistance de conduction RDSonl est mise en série de chaque commutateur Jl, J2, J3, J4 et une résistance de conduction RDSon2 est mise en série de chaque commutateur J5, J6, J7, J8.
Lorsque le transfert de puissance est dirigé du convertisseur basse tension 20a vers le convertisseur haute tension 20b d'un module de conversion, le primaire 21a reçoit une tension AC Vin' et le transformateur 21 transforme la tension Vin' en tension Vout à son secondaire 21b, avec Vin' <V0Ut' .
Dans ce cas, d > 0 et l'état des commutateurs est alors donné par le Tableau 1 suivant, dans lequel le terme « on » désigne l'état passant du commutateur tandis que le terme « off » désigne l'état bloqué du commutateur : Intervalles J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8
[0,d.T] on off off on off on on off
[d.T, T/2] on off off on on off off on
[Τ/2, off on on off on off off on
(l/2+d) .Τ]
[ (l/2+d) .Τ,Τ] off on on off off on on off
Tableau 1
Lorsque le transfert de puissance est dirigé du convertisseur haute tension 20b vers le convertisseur basse tension 20a d'un module de conversion, le secondaire 21b reçoit une tension AC Vout' et le transformateur 21 transforme la tension Vout' en tension Vin' à son primaire 21a, avec Vin' < V0Ut' .
Dans ce cas, d < 0 et l'état des commutateurs est alors donné par le tableau 2 suivant :
Tableau 2
La modélisation moyenne en espace d'état du module de conversion est mise en œuvre sur une période de commutation T . On démontre que sur cette période T , l'intensité moyenne iml du courant dans le convertisseur DC/AC basse tension est régie par un système différentiel linéaire du premier ordre à coefficients constants, tel que :
~Έ~~ Γ~ - lmi ——. . - .—
Dnc
avec Rtotal= (RDSonl + —^
L'algorithme de commande du module de conversion est réalisé au moyen de la théorie de Lyapunov.
La fonction d'énergie choisie, strictement positive, de Lyapunov est la suivante : avec Eiml = [iml— l'erreur de régulation
Selon la théorie de Lyapunov, la stabilité fonction Qiml est assurée pour : n ■ „ Rto tal . T.Rto tal Λ η \ Α \ Λ v ut ' ■ ^
iml — Eiml · Ιγη1 " ^ ~~ ' lml-ref J —
En supposant que :
Rtotal . T.Rtotal , ,
— - lml H — . Cl. l—
avec aiml ≥ 0 et βίτη1 La condition suffisante pour assurer la stabilité du module de conversion est de choisir aiL > 0 et /¾, > 0 . Les valeurs aiL et /¾, dépendent notamment des composants électroniques du module de conversion et sont estimées via des simulations informatiques.
On démontre que l'algorithme de commande implémenté dans chaque module de commande est donné par :
a = .51 H .52
avec
SI =0 et S2=l Si ïml -ref < ^
SI =1 et S2=0 Si ïml -ref > ^
SI =0 et S2=0 si i-ml -ref ~ ^
Cet algorithme est mis en œuvre par un circuit logique du module de contrôle.
Le module CPU comprend un module de communication afin de communiquer avec un opérateur du réseau. De préférence, l'opérateur du réseau fournit les courants de référence à donner aux modules de commande.
En variante, le module CPU est un module autonome qui calcule lui-même les courants de référence à transmettre aux modules de commande à partir d'une puissance à transférer fournie par l'opérateur du réseau .
Un niveau du convertisseur DC/DC multi-niveau peut être instantanément activé, lorsque imi -ref ≠ 0, ou désactivé, lorsque iml -ref = 0. Cette caractéristique permet notamment d'adapter le convertisseur DC/DC multi-niveau en fonction du niveau de puissance désiré à transférer.
Avantageusement, le convertisseur multi-niveau selon l'invention comprend au moins un niveau de réserve. Un niveau de réserve est un niveau dont les commutateurs du module de conversion sont mis en commutation uniquement sur ordre de l'opérateur du réseau .
L'activation du niveau de réserve peut notamment survenir afin de remplacer un niveau défectueux, qui est alors désactivé.
La mise en place des niveaux de réserve est particulièrement avantageuse dans le cas où le système de conversion selon l'invention est installé dans une plate forme immergée, par définition difficile d'accès. La modularité du convertisseur selon l'invention, notamment la commande unique et indépendante pour chaque niveau évite ainsi les interventions de maintenance et les niveaux peuvent être activés ou désactivés à distance très simplement.
Avantageusement, le convertisseur selon l'invention comprend environ 20% de modules de réserve.

Claims

REVENDICATIONS
1. Convertisseur multi-niveau DC/DC comprenant n étages de conversion, n étant supérieur ou égal à 2, ledit convertisseur étant adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance entre au moins une source élémentaire de tension DC (10 ; 10') d'une part, et une source de réseau de tension DC (60) d'autre part, la tension ( Vout_to tai) de ladite source de réseau étant supérieure à celle de chacune desdites sources élémentaires, chacun des n étages de conversion comprenant :
un module de conversion (30') adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance entre une des sources élémentaires de tension DC d'une part, et ladite source de réseau de tension DC d'autre part, ledit module de conversion (30') comprenant un transformateur (21) avec un primaire (21a) et un secondaire (21b) et une inductance de fuite (21c) , le rapport (m ) de transformation dudit transformateur étant supérieur à 1, ledit module de conversion (30') comprenant en outre un premier convertisseur (20a) et un second convertisseur (20b) , chacun desdits convertisseurs contenant une pluralité de commutateurs bidirectionnels ( Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8) à commande de grille en configuration de pont monophasé pour convertir une tension DC en une tension AC, ledit premier convertisseur (20a) étant connecté aux bornes dudit primaire (21a) , ledit second convertisseur (20b) étant connecté aux bornes dudit secondaire (21b) , ledit primaire (21a) ayant à ses bornes une première tension AC (Vin ) et le secondaire (21b) ayant à ses bornes une seconde tension AC (Vout') , ledit premier convertisseur (20a) ayant à ses bornes une première tension DC donnée par la source élémentaire aux bornes de laquelle il est connecté et le second convertisseur (20b) ayant à ses bornes une seconde tension DC donnée par ladite source de réseau ;
les seconds convertisseurs (20b) de chacun des n étages de conversion étant mis en parallèle, la somme des n tensions (Vout) en sortie desdits seconds convertisseurs (20b) étant égale à la tension (Vout— total) de la source de réseau,
caractérisé en ce que chacun des n étages de conversion comprend en outre :
un module de commande indépendant, identique dans chacun des n étages de conversion, adapté à commander le module de conversion (30') dudit étage de conversion, ledit module de commande étant connecté aux grilles des commutateurs ( Jl , J2 , J3 , J4 , J5 , J6, J7 , J8 ) dudit module de conversion (30' ) pour contrôler leurs états de commutation durant une période de commutation T, ledit module de commande étant configuré pour effectuer une comparaison entre la valeur du courant ( ) dans ledit premier convertisseur (20a) et un courant de référence mi-re/) et pour ajuster le décalage de phase ( d ) entre les tensions AC au primaire (21a) et au secondaire (21b) dudit transformateur (21) obtenues par la commutation desdits commutateurs ( Jl, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8) , cet ajustement étant fonction du résultat de la comparaison, de manière à ajuster la puissance transmise par ledit module de conversion (30').
2. Convertisseur multi-niveau selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins deux modules de conversion (30') sont connectés à la même source de tension élémentaire (10 ;10') .
3. Convertisseur multi-niveau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une valeur du courant de référence ( imi-ref ) est transmise à chacun des n modules de commande par un module CPU.
4. Convertisseur multi-niveau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit convertisseur comprend au moins un niveau de réserve, la valeur du courant de référence ( imi-ref) du module de commande dudit module de réserve étant nulle.
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