EP4285453A1 - Procede de configuration d'une installation haute tension a courant continu - Google Patents

Procede de configuration d'une installation haute tension a courant continu

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Publication number
EP4285453A1
EP4285453A1 EP22704875.8A EP22704875A EP4285453A1 EP 4285453 A1 EP4285453 A1 EP 4285453A1 EP 22704875 A EP22704875 A EP 22704875A EP 4285453 A1 EP4285453 A1 EP 4285453A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
terminal
electrical conductor
power
electrical
voltage source
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.)
Pending
Application number
EP22704875.8A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Joan Sau Bassols
Florent MOREL
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.)
SuperGrid Institute SAS
Original Assignee
SuperGrid Institute SAS
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 SuperGrid Institute SAS filed Critical SuperGrid Institute SAS
Publication of EP4285453A1 publication Critical patent/EP4285453A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J1/00—Circuit arrangements for dc mains or dc distribution networks
    • H02J1/10—Parallel operation of dc sources
    • H02J1/106—Parallel operation of dc sources for load balancing, symmetrisation, or sharing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/36—Arrangements for transfer of electric power between ac networks via a high-tension dc link

Definitions

  • the present invention relates to a method for configuring a direct current high voltage installation and to said direct current high voltage installation, configured using said method.
  • a conventional solution consists in adding a second electrical conductor 2 in parallel with the first electrical conductor 1, as represented in FIG. 1 B.
  • the two conductors 1, 2 in parallel thus make it possible to transmit the total power P+AP between the two terminals A, B.
  • the electrical resistance ratio between the two conductors means that the total electrical power P+AP transmitted will not necessarily be distributed so that the first electrical conductor 1 will transmit the power P and the second electrical conductor the power AP, as illustrated in figure 1 B.
  • the first electrical conductor 1 will thus transmit a power Pi different from P, and the second conductor electric will transmit a power P2 different from AP.
  • the second electrical conductor 2 added will most certainly have to be sized to transmit a greater power than AP, in order to ensure that the power P+AP is transmitted, whatever the resistance ratio between the two conductors. With such an installation, one of the two electrical conductors is required to transmit an electrical power that is always lower than its maximum capacity and is therefore not used optimally.
  • FIG. 1C illustrates this problem.
  • the installation transmits the total power PT.
  • the first electrical conductor 1 transmits the power Pi with the current h and the second electrical conductor 2 transmits the power P2 with the current I2.
  • the total power to be transmitted is denoted PT.
  • FIG. 1C also shows, for each conductor 1, 2, the electrical resistance Ri, R2, the thermal resistance between the conductor and the ambient Rthi, Rth2, the temperature of the electrical conductor T1, T2 and the power losses Pi oss i , Pioss2.
  • the dimensioning of an electrical conductor must be chosen by the maximum power that it can transmit at its maximum temperature.
  • the first electrical conductor 1 which has the lowest resistance, will be caused to transmit the highest electrical power and will have a higher temperature.
  • the maximum power that the assembly can transmit will therefore be linked to the maximum temperature of this conductor.
  • the second electrical conductor 2, which has the highest resistance will have to transmit less electrical power than the first electrical conductor 1, at a temperature lower than its maximum temperature. This second electrical conductor 2 will therefore be used well below its maximum capacities while the first electrical conductor 1 will be stressed close to its maximum capacities.
  • Figure 1D illustrates the above findings with a numerical example.
  • a second electrical conductor 2 is mounted in parallel with the first electrical conductor 1 with a section of 2400 mm 2 .
  • the maximum admissible temperature is considered to be 70°C. It can be seen that the second electrical conductor 2 is used close to this temperature, therefore close to its maximum capacity, whereas the first electrical conductor 1 is used at a lower temperature. Furthermore, the first electrical conductor 1 carries a current lower than its maximum capacity and increasing the electrical power transmitted would lead to overheating of the second electrical conductor 2 and not of the first electrical conductor 1.
  • EP2670013A1 describes for its part a power flow control device between two DC networks. It has two current flow control units and three power transmission lines connected to three terminals, which can have different current draws through the three power lines.
  • the object of the invention is to propose a solution making it possible to configure a high voltage direct current installation so that it is able to pass a surplus of power, without having to oversize it and with the aim of being able to exploit each driver to the maximum of his abilities.
  • a method for configuring a high voltage direct current installation comprising a first main terminal and a second main terminal between which is transmitted a so-called input/output electrical power, a first electrical conductor which comprises a first connection terminal and a second connection terminal, its second connection terminal being connected only to said second main terminal, said first electrical conductor being sized to transmit a first rated electrical power, said method comprising: - Add a second electrical conductor, which comprises a first connection terminal and a second connection terminal, its second connection terminal being connected only to said second main terminal, said second electrical conductor being sized to transmit a second nominal electrical power,
  • a power converter which comprises a first terminal, a second terminal and a third terminal, said power converter being inserted in said installation so that its first terminal is connected to the first main terminal, its second terminal is connected to the first connection terminal of the first electrical conductor and its third terminal is connected to the first connection terminal of the second electrical conductor, said power converter also comprising a first voltage source and a second voltage source, and controllable exchange means energy between the first voltage source and the second voltage source,
  • the installation of the invention has the particularity of comprising only two power lines, both connected only to the second main terminal.
  • the solution of the invention differs from the prior solution described in patent application EP2670013A1.
  • each main terminal is associated with a single DC terminal and the solution of the invention makes it possible to configure this installation by allowing distribution of the currents on the two lines.
  • the second electrical conductor is dimensioned to transmit a second nominal electrical power distinct from the first nominal electrical power.
  • the method also consists in inserting a device for putting the power converter into service/out of service, and in controlling said device for putting into service/out of service to insert the power converter between the two main terminals or the get around.
  • the invention also relates to a high voltage direct current installation which comprises a first main terminal, a second main terminal between which is transmitted a so-called input/output electrical power, a first electrical conductor which comprises a first connection terminal and a second connection terminal, its second connection terminal being connected only to said second main terminal, said first electrical conductor being sized to transmit a first nominal electrical power, said installation being configured according to the method as defined above, by integrating:
  • a second electrical conductor which comprises a first connection terminal and a second connection terminal, its second connection terminal being connected only to said second main terminal, said second electrical conductor being dimensioned to transmit a second nominal electrical power
  • a power converter which comprises a first terminal, a second terminal and a third terminal, said power converter being inserted in said installation so that its first terminal is connected to the first main terminal, its second terminal is connected to the first terminal connection of the first electrical conductor and its third terminal is connected to the first connection terminal of the second electrical conductor, said power converter also comprising a first voltage source and a second voltage source, and controllable means for exchanging energy between the first voltage source and the second voltage source, A control unit of said controllable means,
  • Said controllable means of the power converter being controlled by the control unit to adjust the voltage supplied by said first voltage source in series with the first electrical conductor and the voltage supplied by the second voltage source in series with said second electrical conductor and distributing said input/output electrical power in the first electrical conductor and in the second electrical conductor, taking into account the first nominal electrical power that the first electrical conductor is able to transmit and the second power electrical rating that the second electrical conductor is capable of transmitting.
  • the first voltage source is created between the first terminal and the second terminal of the power converter and the second voltage source is created between the first terminal and the third terminal of the power converter.
  • said controllable means comprise switching means connected between the second terminal and the third terminal of the converter and a current source connected between the first terminal of the power converter and a midpoint of said switching means.
  • the switching means are chosen to be non-reversible in current and non-reversible in voltage.
  • the switching means are chosen to be reversible in current and reversible in voltage.
  • the current source comprises an inductor.
  • the first voltage source comprises a first capacitor and in that the second voltage source comprises a second capacitor.
  • the installation comprises a device for commissioning/decommissioning the power converter and a control unit configured to control said connection/disconnection device with a view to inserting the power converter between the two main terminals or circumvent it.
  • Figures 1 A to 1 D illustrate the principle of operation of a high voltage direct current installation, according to the state of the art
  • FIG. 2 illustrates the architecture of the high voltage direct current installation according to the invention
  • FIGS. 3 and 4 schematically represent the architecture of the power converter used in the high voltage direct current installation of the invention
  • FIG. 5 represents a first architecture of the power converter inserted in the high voltage direct current installation of the invention
  • FIGS. 6A and 6B illustrate the principle of operation of this first architecture of the power converter inserted in the high voltage direct current installation
  • FIGS 7 and 8 show two equivalent embodiments of the architecture of Figure 5;
  • FIG. 9 represents a second architecture of the power converter inserted in the high voltage direct current installation of the invention.
  • FIG. 10 represents a third architecture of the power converter inserted in the high voltage direct current installation of the invention.
  • FIG. 11 illustrates the principle of operation of the high voltage direct current installation according to the invention
  • FIG. 12 represents an alternative embodiment of the direct current high voltage installation according to the invention.
  • Figure 13 represents a diagram illustrating the operating principle of the installation of Figure 9;
  • the invention applies to a high voltage direct current installation (also called HVDC installation for "High Voltage Direct Current”).
  • the installation comprises a first main terminal A, for example associated with a first terminal, and a second main terminal B, for example associated with a second terminal, between which electrical power is transmitted (from A to B or from B to A - for simplification, it is considered below that the power is transmitted from A to B).
  • It comprises a first electrical conductor 1 comprising a first connection terminal 1_1 and a second connection terminal 1_2.
  • Its second connection terminal 1_2 is connected only to the second main terminal B.
  • the installation composed of a single first electrical conductor 1, is intended to transmit a nominal power equal to P.
  • This first electrical conductor 1 is dimensioned sufficiently to transmit the nominal power P.
  • an electrical conductor has characteristics (in particular type of material, cross-section, maximum temperature) which allow it to transmit a given nominal electrical power.
  • a first aspect of the invention consists in upgrading the installation. To do this, with reference to figure 2, it is thus a question of adding to the installation:
  • a second electrical conductor 2 and
  • the power converter PC has three electrical terminals, a first terminal X, a second terminal Y and a third terminal Z.
  • the second electrical conductor 2 comprises a first connection terminal 2_1 and a second connection terminal 2_2 connecting only to the second main terminal B.
  • connection only means the fact that the electrical conductor is not connected to anything other than the second main terminal B, or in other words that it does not include a branch point, or other point connection to another terminal or to another terminal than the second main terminal B.
  • the two electrical conductors are therefore connected in parallel to the second main terminal B.
  • the PC power converter is inserted into the installation as follows:
  • first terminal X is connected to the first main terminal A;
  • the first connection terminal 1_1 of the first electrical conductor 1 is connected to its second terminal Y;
  • the first connection terminal 2_1 of the second electrical conductor is connected to its third terminal Z;
  • the power converter inserted in the installation is thus intended to be controlled to distribute the electrical power in the two electrical conductors.
  • the power converter PC makes it possible to guarantee that the first electrical conductor 1 transmits the electrical power P and that the second electrical conductor 2 transmits the electrical power AP.
  • the insertion of the power converter PC makes it possible to use a second electrical conductor 2 dimensioned as accurately as possible to pass the excess power AP, without unnecessary oversizing, thus limiting the additional costs.
  • the power converter PC can include a first voltage source Vi which, on command, can be connected in series with the first electrical conductor 1 and a second voltage source V2 which, on command, can be connected in series with the second electrical conductor 2.
  • the power converter PC also comprises means 3 configured to ensure an exchange of electrical energy between the two voltage sources Vi, V2, with a view to distributing the total current IT in each conductor electrical 1, 2 and distribute the electrical power in each electrical conductor, taking into account the dimensioning of each electrical conductor.
  • the two dotted vertical arrows illustrate the principle of energy exchange between the two voltage sources V1, V2.
  • none of the terminals X, Y or Z of the power converter PC is connected to ground.
  • the conductors are placed at potentials with respect to earth of several tens of kilovolts or even several hundreds of kilovolts (voltages between terminal A and earth or between terminal B and earth).
  • the voltages between the terminals X, Y and Z are of the same order of magnitude as the voltage drops at the terminals of these electrical conductors (voltage between the two main terminals A and B) is of the order of a few hundred volts, or even a few kilovolts.
  • the voltage dimensioning of this converter is reduced and its production is facilitated.
  • the means 3 may comprise a current source 30 and switching means 31, arranged and controlled to allow connection of said current source 30 in parallel with the first voltage source Vi or in parallel with the second voltage source V2.
  • the switching means 31 can include one or more power switches.
  • the number of power switches, their arrangement and their characteristics depends on the sign of the currents h and I2 in each electrical conductor 1, 2 and on the polarity of the voltages inserted in each electrical conductor.
  • a control unit UC of the installation is responsible for controlling each power switch of the converter PC, with a view to obtaining the distribution of the currents between its two terminals Y and Z.
  • Current source 30 may include at least one inductor L.
  • the general architecture of the power converter PC can be as follows:
  • the first voltage source V1 is connected between the first terminal X and the second terminal Y of the converter;
  • the second voltage source V2 is connected between the first terminal X and the third terminal Z of the converter;
  • the switching means 31 are connected between the second terminal Y and the third terminal Z of the converter;
  • the current source 30 is connected between the first terminal X of the converter and a midpoint M of the switching means;
  • Each voltage source is created using one or more capacitors (Ci, C2, C3) suitably connected between the X, Y, Z terminals of the power converter PC.
  • the PC power converter can be made according to different architectures.
  • FIGS 5 to 10 show several possible architectures for the realization of the power converter.
  • the architecture chosen for the converter will depend in particular on the degree of current and voltage reversibility which it is desired to have.
  • FIG. 5 shows a first architecture, non-reversible in current and non-reversible in voltage.
  • this first architecture :
  • the first voltage source Vi includes a first capacitor Ci.
  • the second voltage source V2 includes a second capacitor C2.
  • the first capacitor Ci is oriented so as to be able to create a positive voltage in series with the first electrical conductor 1 .
  • the second capacitor C2 is oriented so that it can create a negative voltage in series with the second electrical conductor.
  • the switching means 31 comprise an electronic transistor T1 (for example of the IGBT, IGCT, GTO, MOSFET type, etc.) and a diode D1.
  • transistor T1 for example of the IGBT, IGCT, GTO, MOSFET type, etc.
  • diode D1 For transistor T1, its gate is controlled by the installation's control unit UC according to a determined control law (see below), its collector is connected to the midpoint and its emitter is connected to the second terminal Y of the converter.
  • Diode D1 is connected between the midpoint M and the third terminal Z of the converter and oriented conductive from the midpoint M to the third terminal of the converter.
  • the current source is formed by an inductance L, connected between the first terminal of the converter X and the midpoint M of the switching means.
  • This first architecture can be used when the total current IT enters through the first terminal X of the converter and the two currents h, I2 leave the converter PC respectively through its second terminal Y to circulate in the first electrical conductor 1 and through its third terminal Z to circulate in the second conductor 2.
  • This architecture makes it possible to obtain a distribution of the currents different from the distribution which would be observed if the conductors were placed in parallel as in FIG. 1B.
  • the capacitors Ci, C2 are connected so as to create a positive voltage in series with the first electrical conductor 1, to lower the current h and a negative voltage in series with the second electrical conductor to increase the current I2.
  • This solution can be used when the conductor likely to be overloaded (that is to say the conductor with the lowest electrical resistance) is the first electrical conductor 1. It is of course possible to reverse the architecture to discharge the other electrical conductor.
  • Figure 6A and Figure 6B illustrate the operating principle of this first architecture, by presenting the path followed by the currents (represented in gray) in the different branches of the power converter PC while neglecting the current oscillations in the inductor.
  • transistor T1 is in the closed state.
  • Part of this current IT leaves through the second terminal Y of the power converter PC, forming the current h present in the first electrical conductor 1.
  • Another part of the current l T passes through the first capacitor Ci, then the second capacitor C2 to exit by the third terminal Z of the power converter PC, forming the current I2 in the second electrical conductor 2.
  • transistor T1 is in the open state.
  • a part of this current IT leaves by the third terminal Z of the power converter PC, forming the current I2 present in the second electric conductor 2.
  • Another part of the current IT crosses the second capacitor C2, then the first capacitor Ci to leave by the second terminal Y of the power converter PC, forming the current h present in the first electrical conductor 1.
  • This first architecture is to be considered in a non-restrictive way and makes it possible to illustrate a principle of a non-reversible current and non-reversible voltage realization.
  • Figures 7 and 8 show architectures equivalent to that of Figure 5.
  • the capacitor C2 is connected between the first terminal X and the third terminal Z of the converter and an equivalent capacitor C3 is connected between the terminals Y and Z of the PC power converter.
  • capacitor Ci is connected between terminals X and Y of the power converter and an equivalent capacitor C3 is connected between terminals Y and Z.
  • FIG. 9 shows a second reversible current and voltage architecture.
  • the first voltage source V1 includes a first capacitor Ci.
  • the second voltage source V2 includes a second capacitor C2.
  • the first capacitor Ci is oriented so as to be able to create a positive or negative voltage in series with the first electrical conductor 1.
  • the second capacitor C2 is oriented so as to be able to create a positive or negative voltage in series with the second electrical conductor 2.
  • the switching means 31 comprise two switching arms connected in parallel between the second terminal Y and the third terminal Z of the converter.
  • Each switching arm comprises two sets connected by the midpoint M and each formed, for example, of a transistor T1, T2, T3, T4 (for example of the IGBT, IGCT, GTO, MOSFET type, etc.) and a diode D1, D2, D3, D4 in series.
  • a transistor T1, T2, T3, T4 for example of the IGBT, IGCT, GTO, MOSFET type, etc.
  • D1, D2, D3, D4 in series.
  • the gate of each transistor is controlled by the control unit UC of the installation according to the appropriate control law.
  • each transistor T1, T2 is connected to the midpoint M and their emitter is connected respectively to the second terminal Y and to the third terminal Z of the converter, via the diode Di, D2.
  • Each diode is conductive oriented towards the corresponding terminal of the converter.
  • the collector of the first transistor T3 is connected to the second terminal Y of the converter and its emitter to the midpoint M2, via diode D3.
  • the collector of the second transistor T4 is connected to the third terminal Z of the converter and its emitter is connected to the midpoint M, via diode D4.
  • Each diode is conductively connected in the emitter to midpoint direction.
  • the current source is formed by an inductance L, connected between the first terminal X of the converter and the midpoint M of the switching means.
  • This second architecture is to be considered in a non-limiting way and makes it possible to illustrate an embodiment provided with current and voltage reversibility. It can be used whatever the sign of the currents h and I2, as long as h and I2 have the same sign. In all cases, the voltage V3 created by the converter between the two conductors can be positive or negative, thus making it possible to increase or decrease the current h caused to flow in the first electrical conductor.
  • Figure 10 shows a third architecture, also reversible in current and in voltage. This architecture is equivalent to that of the second architecture, but carried out in a more economical way, by using fewer electronic switches.
  • This structure is equivalent to that of the second architecture, but carried out in a more economical way, by using fewer electronic switches.
  • the first voltage source V1 includes a first capacitor Ci.
  • the second voltage source V2 includes a second capacitor C2.
  • the first capacitor Ci is oriented so as to be able to create a positive voltage in series either with the first electrical conductor 1 or with the second electrical conductor 2.
  • the second capacitor C2 is oriented so as to be able to create a negative voltage in series either with the first electrical conductor 1 or with the second electrical conductor 2.
  • the switching means comprise a switching arm with two switches separated by the middle point.
  • Each switch comprises a transistor T1, T2 (for example of the IGBT, IGCT, GTO, MOSFET type, etc.) and an antiparallel diode D1, D2. They also include several switches of the mechanical type (relay or contactor for example) arranged in a suitable manner to be able to configure the converter according to the current which is to be increased or decreased. It can be two groups of two switches.
  • the first group comprises switches Swi, SW2 and is connected on the one hand to the first voltage source and on the other hand to each of the two electrical conductors.
  • the second group comprises switches SW3, SW4 and is connected by a hand to the second voltage source and secondly to each of the two electrical conductors. Each group makes it possible to selectively connect the considered voltage source in series with the first electrical conductor 1 or in series with the second electrical conductor 2.
  • the current source is formed by an inductance L, connected between the first terminal of the converter and the midpoint M.
  • the voltage V1 is inserted in series with the second electrical conductor 2 and the voltage V2 is inserted in series with the first electrical conductor 1.
  • the power converter PC is used to increase the current in the first electrical conductor 1 and to decrease the current in the second electrical conductor 2.
  • Figure 11 illustrates the advantages of inserting a converter in the installation to better distribute the currents. Apart from the converter, the installation has the same characteristics as those described above in connection with figure 1 D. As a reminder, we thus have at the start:
  • the total power PT to be transmitted equal to P+AP, being worth 1.6 GW.
  • the first electrical conductor 1 with a section of 1200 mm 2 enabling it to transmit a nominal power P/ of 0.71 GW.
  • the second electrical conductor 2 has a section of 1900 mm 2 , allowing it to transmit a nominal power P 2 'of 0.92 GW.
  • the section was 2400 mm 2 , enabling it to transmit a nominal power P 2 'of 1.05 GW.
  • the power converter PC is controlled to create a first voltage V1 in series with the first electrical conductor 1 and a second voltage V2 in series with the second electrical conductor 2, making it possible to modify the natural distribution of the current between the two electrical conductors.
  • the first electrical conductor 1 will transmit a power of 0.68 GW with a current h of 1.07 kA and the second electrical conductor 2 will transmit a power of 0.92 GW with a current I2 of 1.43 kA.
  • the section of the second electrical conductor 2 could be reduced while maintaining the temperature of the conductors at a value less than or equal to the maximum admissible temperature (70° C. in this example).
  • the cost of the second electrical conductor 2 is therefore reduced for the same total power P+AP transmitted.
  • the power converter can be especially useful when a fine distribution of the current must be operated, in particular when the power to be transmitted is close to the maximum value (P+AP) for which the installation is sized. Apart from that, it may be relevant not to use the PC converter, leaving the total current to be distributed naturally, according to the dimensioning of each of the two electrical conductors 1, 2. For this, with reference to the figure 12, the installation can incorporate a PC power converter commissioning/decommissioning device.
  • This device may comprise a first switch Sws connected between the first main terminal A and the first connection terminal 1_1 of the first electrical conductor 1, in parallel with the first voltage source V1 formed between the first terminal X and second terminal Y of the converter PC , and a second switch Swe connected between the first main terminal A and the first connection terminal 2_1 of the second electrical conductor 2, in parallel with the second voltage source V2 formed between the first terminal X and the third terminal Z of the converter PC .
  • the two switches Sws, Swe are closed, the converter PC is out of service, therefore inoperative by being bypassed (“bypass” in English), allowing the current to be distributed naturally in the two conductors 1, 2, according to their resistance. respectively.
  • bypass in English
  • the converter PC is by default bypassed, therefore not used. It can be put into service and therefore inserted into the installation when the power transmitted by one of the two conductors reaches its nominal power (P/ for the first electrical conductor 1, P 2 'for the second electrical conductor 2). If the total power continues to increase, the converter PC is controlled to insert the appropriate voltages in series with each of the conductors 1, 2 and distribute the current between the two conductors to rebalance the powers.
  • FIG. 13 shows an example of an algorithm for controlling the installation as represented in FIG. 12, O corresponds to the “Yes” branch and N corresponds to the “No” branch). The steps are as follows:
  • the converter is by default out of service in the installation, the switches Sws, Swe being in the closed state to bypass it.
  • the control unit UC is responsible for measuring/estimating one or more physical parameters of the two electrical conductors 1, 2, among temperature, current, electrical power, etc.
  • control unit UC performs tests on each of the measured/estimated parameters with respect to threshold values. o As long as none of these parameters exceeds the threshold value, the control unit executes step E1. o In the event that at least one of the monitored parameters takes a value greater than a threshold value or if an operator so decides, the control unit places the PC power converter in service and inserts it into the installation in opening the two switches Sws, Swe.
  • the control unit thus inserts the power converter PC between the two main terminals A, B.
  • the switching means 31 of the power converter PC are thus controlled by the control unit UC to fulfill one or more of the following objectives: o maintain between the two conductors, for a given parameter, a constant ratio (for example a constant electric current ratio); o Maintain a difference given on a parameter, between the two conductors; o Control one or more of the parameters to maintain it at a reference level.
  • This action can be implemented using a control loop responsible for determining the commands to be applied to the converter to maintain the measured or estimated parameter at the reference value;
  • the power converter could be inserted into the installation by default (the switches Sws, Swe open) with the switching means 31 controlled by the CPU so as not to add any voltage in series with the two electrical conductors.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Direct Current Feeding And Distribution (AREA)

Abstract

L'invention concerne un procédé de configuration d'une installation haute tension à courant continu, ladite installation comportant une première borne principale (A) et une deuxième borne principale (B), un premier conducteur électrique (1) qui comporte une première borne (1_1) et une deuxième borne (1_2) qui est connectée à ladite deuxième borne principale (B), ledit procédé consistant notamment à ajouter un deuxième conducteur électrique (2), qui comporte une première borne (2_1) et une deuxième borne (2_2) qui est connectée à ladite deuxième borne principale (B), et à insérer un convertisseur de puissance (PC) à trois bornes (X, Y, Z), de sorte que sa première borne est connectée à la première borne principale (A), sa deuxième borne (Y) est connectée à la première borne de connexion (1_1) du premier conducteur électrique (1) et sa troisième borne est connectée à la première borne de connexion (2_1) du deuxième conducteur électrique (2).

Description

PROCEDE DE CONFIGURATION D’UNE INSTALLATION HAUTE TENSION A COURANT CONTINU
Domaine technique de l'invention
La présente invention se rapporte à un procédé de configuration d'une installation haute tension à courant continu et à ladite installation haute tension à courant continu, configurée à l'aide dudit procédé.
Etat de la technique
Il est connu de transmettre de la puissance entre deux bornes A, B d'une installation haute tension à courant continu (appelée également installation HVDC) en utilisant un premier conducteur électrique 1 , réalisé sous la forme d'un câble, d’une ligne aérienne ou plus généralement d’une liaison constituée de tronçons de câbles et de lignes aériennes. Cette liaison est dimensionnée pour transmettre une puissance électrique donnée, référencée P sur la figure 1A.
Une remise à niveau de l'installation est parfois nécessaire lorsqu'une puissance plus importante doit être transmise entre les deux bornes A, B, le surplus de puissance à transmettre étant noté AP. Dans cette situation, une solution classique consiste à ajouter un deuxième conducteur électrique 2 en parallèle du premier conducteur électrique 1 , comme représenté sur la figure 1 B. Comme on peut le voir sur la figure 1 B, les deux conducteurs 1 , 2 en parallèle permettent ainsi de transmettre la puissance totale P+AP entre les deux bornes A, B. Cependant, le rapport de résistance électrique entre les deux conducteurs fait que la puissance électrique totale P+AP transmise ne va pas forcément se répartir de sorte que le premier conducteur électrique 1 va transmettre la puissance P et le deuxième conducteur électrique la puissance AP, comme illustré sur la figure 1 B. Sur cette figure 1 B, le premier conducteur électrique 1 va ainsi transmettre une puissance Pi différente de P, et le deuxième conducteur électrique va transmettre une puissance P2 différente de AP. Il en ressort que le deuxième conducteur électrique 2 ajouté devra très certainement être dimensionné pour transmettre une puissance plus importante que AP, ceci afin d'assurer que la puissance P+AP soit transmise, quel que soit le rapport de résistance entre les deux conducteurs. Avec une telle installation, l’un des deux conducteurs électriques est amené à transmettre une puissance électrique toujours inférieure à sa capacité maximale et n’est donc pas utilisé de manière optimale.
La figure 1C permet d'illustrer cette problématique. Sur cette figure 1C, l'installation transmet la puissance totale PT. Le premier conducteur électrique 1 transmet la puissance Pi avec le courant h et le deuxième conducteur électrique 2 transmet la puissance P2 avec le courant I2. La puissance totale à transmettre est notée PT. La figure 1C montre également, pour chaque conducteur 1 , 2, la résistance électrique Ri, R2, la résistance thermique entre le conducteur et l’ambiante Rthi, Rth2, la température du conducteur électrique T1 , T2 et les pertes de puissance Piossi, Pioss2.
Comme les deux conducteurs sont connectés en parallèle, leur chute de tension doit être identique. On a donc : (1)
Sachant que 4 + /2 = I, en partant de (1) ci-dessus, on obtient alors :
(2)
Pour chaque conducteur, les pertes thermiques peuvent s'exprimer de la manière suivante :
Ces relations permettent de montrer que si R1 < R2 , le premier conducteur électrique 1 sera amené à concentrer plus de courant et générera plus de pertes. Il faut noter que la résistance électrique d'un conducteur électrique est liée à sa section, à son matériau de fabrication et à la température du conducteur. Pour chaque conducteur électrique, sa température peut s'exprimer de la manière suivante avec Tamb la température ambiante :
En combinant la relation (3) avec la relation (5), et la relation (4) avec la relation (6), on comprend que si on considère que R± < R2, et que les résistances thermiques sont égales (Rthi=Rtll2), la température T± du premier conducteur électrique sera plus élevée :
Le dimensionnement d'un conducteur électrique doit être choisi par la puissance maximale qu'il peut transmettre à sa température maximale.
Ainsi on peut conclure que dans une installation à deux conducteurs électriques en parallèle, le premier conducteur électrique 1 , qui dispose de la résistance la plus faible, sera amené à transmettre la puissance électrique la plus élevée et présentera une température plus élevée. La puissance maximale que peut transmettre l’ensemble sera donc liée à la température maximale de ce conducteur. En revanche, le deuxième conducteur électrique 2, qui dispose de la résistance la plus élevée, sera amené à transmettre une puissance électrique moindre que le premier conducteur électrique 1 , à une température inférieure à sa température maximale. Ce deuxième conducteur électrique 2 sera donc utilisé bien au-dessous de ses capacités maximales alors que le premier conducteur électrique 1 sera sollicité proche de ses capacités maximales.
Bien entendu, si les deux conducteurs électriques ont une résistance électrique identique, la puissance sera distribuée de manière égale dans chaque conducteur électrique.
La figure 1 D illustre les conclusions ci-dessus par un exemple numérique.
Dans cet exemple, initialement, avant mise à niveau, l'installation doit transmettre une puissance de 0.7 GW et le premier conducteur électrique 1 transmet la puissance P=0.7 GWen étant dimensionné (avec une section Si de 1200 mm2 de cuivre) pour transmettre la puissance P de 0.71 GW. L'installation doit être modifiée pour passer une puissance supplémentaire AP avec AP=0.9GW. Pour cela, un deuxième conducteur électrique 2 est monté en parallèle du premier conducteur électrique 1 avec une section de 2400 mm2. Pour transmettre la puissance totale PT (égale à P+AP=1.6 GW), le deuxième conducteur électrique 2 doit être dimensionné pour faire passer une puissance supérieure à AP=0.9 GW (le deuxième conducteur électrique 2 est dimensionné en l'occurrence pour transmettre une puissance P2' de 1.05 GW). Ceci est lié au fait que le deuxième conducteur électrique 2 présente une section S2 supérieure à celle du premier conducteur électrique 1 , ce qui lui confère une résistance électrique plus faible que celle du premier conducteur électrique 1 et donc une tendance à concentrer plus de puissance électrique que le premier conducteur électrique 1. Il en ressort que lorsque la puissance PT de 1.6 GW doit être transmise, le deuxième conducteur électrique 2 sera amené à transmettre une puissance P2 proche de sa puissance nominale (P2=1.04 GW) alors que le premier conducteur électrique 1 sera sous-utilisé, en ne transmettant que le complément, c'est-à-dire une puissance Pi de 0.56 GW alors qu'il est dimensionné pour transmettre une puissance de 0.71 GW. Par ailleurs, on peut noter que même si le premier conducteur électrique 1 s'avère être sous- utilisé, la puissance totale de l'installation ne peut cependant pas être augmentée. Une puissance supplémentaire viendrait surcharger le deuxième conducteur électrique 2 et non le premier conducteur électrique 1 , la puissance totale transmise ne pouvant être distribuée de manière adaptée entre les deux conducteurs électriques en tenant compte de leur dimensionnement respectif. Dans cet exemple, on considère que la température maximale admissible est de 70°C. On constate que le deuxième conducteur électrique 2 est utilisé proche de cette température, donc proche de sa capacité maximale alors que le premier conducteur électrique 1 est utilisé à une température plus faible. Par ailleurs, le premier conducteur électrique 1 transporte un courant plus faible que sa capacité maximale et augmenter la puissance électrique transmise conduirait à une surchauffe du deuxième conducteur électrique 2 et non du premier conducteur électrique 1.
Le document EP2670013A1 décrit pour sa part un dispositif de contrôle de flux de puissance entre deux réseaux DC. Il comporte deux unités de contrôle de flux de courant et trois lignes de transmission de puissance reliées à trois terminaux, pouvant avoir des appels de courant différents à travers les trois lignes de puissance.
Le but de l'invention est de proposer une solution permettant de configurer une installation haute tension à courant continu pour que celle-ci soit en mesure de faire passer un surplus de puissance, sans avoir à la surdimensionner et dans le but de pouvoir exploiter chaque conducteur au maximum de ses capacités.
Exposé de l'invention
Ce but est atteint par un procédé de configuration d'une installation haute tension à courant continu, ladite installation comportant une première borne principale et une deuxième borne principale entre lesquelles est transmise une puissance électrique dite d'entrée/sortie, un premier conducteur électrique qui comporte une première borne de connexion et une deuxième borne de connexion, sa deuxième borne de connexion étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale, ledit premier conducteur électrique étant dimensionné pour transmettre une première puissance électrique nominale, ledit procédé consistant à : - Ajouter un deuxième conducteur électrique, qui comporte une première borne de connexion et une deuxième borne de connexion, sa deuxième borne de connexion étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale, ledit deuxième conducteur électrique étant dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale,
- Ajouter un convertisseur de puissance qui comporte une première borne, une deuxième borne et une troisième borne, ledit convertisseur de puissance étant inséré dans ladite installation de sorte que sa première borne est connectée à la première borne principale, sa deuxième borne est connectée à la première borne de connexion du premier conducteur électrique et sa troisième borne est connectée à la première borne de connexion du deuxième conducteur électrique, ledit convertisseur de puissance comportant également une première source de tension et une deuxième source de tension, et des moyens commandables d'échange d'énergie entre la première source de tension et la deuxième source de tension,
Configurer une unité de commande du convertisseur de puissance pour la rendre apte à commander le convertisseur de puissance en vue de régler la tension fournie par ladite première source de tension en série avec le premier conducteur électrique et la tension fournie par la deuxième source de tension en série avec ledit deuxième conducteur électrique et répartir ladite puissance électrique d'entrée/sortie dans le premier conducteur électrique et dans le deuxième conducteur électrique, en tenant compte de la première puissance électrique nominale que le premier conducteur électrique est apte à transmettre et de la deuxième puissance électrique nominale que le deuxième conducteur électrique est apte à transmettre.
L'installation de l'invention présente la particularité de ne comporter que deux lignes de puissance, connectées toutes deux uniquement à la deuxième borne principale. En cela, la solution de l'invention se différencie de la solution antérieure décrite dans la demande de brevet EP2670013A1. Dans l'invention, chaque borne principale est associée à un seul terminal DC et la solution de l'invention permet de configurer cette installation en permettant une répartition des courants sur les deux lignes. Selon une particularité, le deuxième conducteur électrique est dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale distincte de la première puissance électrique nominale.
Selon une autre particularité, le procédé consiste également à insérer un dispositif de mise en service/hors service du convertisseur de puissance, et à commander ledit dispositif de mise en service/hors service pour insérer le convertisseur de puissance entre les deux bornes principales ou le contourner.
L'invention concerne également une installation haute tension à courant continu qui comporte une première borne principale une deuxième borne principale entre lesquelles est transmise une puissance électrique dite d'entrée/sortie, un premier conducteur électrique qui comporte une première borne de connexion et une deuxième borne de connexion, sa deuxième borne de connexion étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale, ledit premier conducteur électrique étant dimensionné pour transmettre une première puissance électrique nominale, ladite installation étant configurée selon le procédé tel que défini ci-dessus, en intégrant :
Un deuxième conducteur électrique, qui comporte une première borne de connexion et une deuxième borne de connexion, sa deuxième borne de connexion étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale, ledit deuxième conducteur électrique étant dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale,
Un convertisseur de puissance qui comporte une première borne, une deuxième borne et une troisième borne, ledit convertisseur de puissance étant inséré dans ladite installation de sorte que sa première borne est connectée à la première borne principale, sa deuxième borne est connectée à la première borne de connexion du premier conducteur électrique et sa troisième borne est connectée à la première borne de connexion du deuxième conducteur électrique, ledit convertisseur de puissance comportant également une première source de tension et une deuxième source de tension, et des moyens commandables d'échange d'énergie entre la première source de tension et la deuxième source de tension, Une unité de commande desdits moyens commandables,
Lesdits moyens commandables du convertisseur de puissance étant commandés par l'unité de commande pour régler la tension fournie par ladite première source de tension en série avec le premier conducteur électrique et la tension fournie par la deuxième source de tension en série avec ledit deuxième conducteur électrique et répartir ladite puissance électrique d'entrée/sortie dans le premier conducteur électrique et dans le deuxième conducteur électrique, en tenant compte de la première puissance électrique nominale que le premier conducteur électrique est apte à transmettre et de la deuxième puissance électrique nominale que le deuxième conducteur électrique est apte à transmettre.
Selon une particularité, la première source de tension est créée entre la première borne et la deuxième borne du convertisseur de puissance et la deuxième source de tension est créée entre la première borne et la troisième borne du convertisseur de puissance.
Selon une autre particularité, lesdits moyens commandables comportent des moyens de commutation connectés entre la deuxième borne et la troisième borne du convertisseur et une source de courant connectée entre la première borne du convertisseur de puissance et un point milieu desdits moyens de commutation.
Selon une réalisation particulière, les moyens de commutation sont choisis non réversibles en courant et non réversibles en tension.
Selon une autre réalisation particulière, les moyens de commutation sont choisis réversibles en courant et réversibles en tension.
Selon une autre particularité, la source de courant comporte une inductance.
Selon une autre particularité, la première source de tension comporte un premier condensateur et en ce que la deuxième source de tension comporte un deuxième condensateur.
Selon une réalisation avantageuse, l'installation comporte un dispositif de mise en service/hors service du convertisseur de puissance et une unité de commande configurée pour commander ledit dispositif de connexion/déconnexion en vue d’insérer le convertisseur de puissance entre les deux bornes principales ou de le contourner.
Brève description des figures
D'autres caractéristiques et avantages vont apparaître dans la description détaillée qui suit faite en regard des dessins annexés dans lesquels :
Les figures 1 A à 1 D illustrent le principe de fonctionnement d'une installation haute tension à courant continu, selon l'état de la technique ;
La figure 2 illustre l'architecture de l'installation haute tension à courant continu conforme à l'invention ; Les figures 3 et 4 représentent de manière schématique l'architecture du convertisseur de puissance employé dans l'installation haute tension à courant continu de l'invention ;
La figure 5 représente une première architecture du convertisseur de puissance inséré dans l'installation haute tension à courant continu de l'invention ;
Les figures 6A et 6B illustrent le principe de fonctionnement de cette première architecture du convertisseur de puissance inséré dans l'installation haute tension à courant continu ;
Les figures 7 et 8 montrent deux réalisations équivalentes de l'architecture de la figure 5 ;
La figure 9 représente une deuxième architecture du convertisseur de puissance inséré dans l'installation haute tension à courant continu de l'invention ;
La figure 10 représente une troisième architecture du convertisseur de puissance inséré dans l'installation haute tension à courant continu de l'invention ;
La figure 11 illustre le principe de fonctionnement de l'installation haute tension à courant continu conforme à l'invention ;
La figure 12 représente une variante de réalisation de l'installation haute tension à courant continu conforme à l'invention ;
La figure 13 représente un diagramme illustrant le principe de fonctionnement de l’installation de la figure 9 ;
Description détaillée d'au moins un mode de réalisation
L'invention s'applique à une installation haute tension à courant continu (appelée également installation HVDC pour "High voltage Direct Current").
L'installation comporte une première borne principale A, par exemple associée à un premier terminal, et une deuxième borne principale B, par exemple associée à un deuxième terminal, entre lesquelles est transmise une puissance électrique (de A vers B ou de B vers A - par simplification, on considère ci-après que la puissance est transmise de A vers B). Elle comporte un premier conducteur électrique 1 comprenant une première borne de connexion 1_1 et une deuxième borne de connexion 1_2. Sa deuxième borne de connexion 1_2 est connectée uniquement à la deuxième borne principale B. Initialement, l'installation, composée du seul premier conducteur électrique 1 , est destinée à transmettre une puissance nominale égale à P.
Ce premier conducteur électrique 1 est dimensionné de manière suffisante pour transmettre la puissance nominale P.
Par le terme "dimensionner", on entend qu'un conducteur électrique présente des caractéristiques (notamment type de matériau, section transversale, température maximale) qui lui permettent de transmettre une puissance électrique nominale donnée.
Pour faire en sorte que l'installation puisse transmettre une puissance électrique supérieure à P, correspondant à un surplus de puissance AP, un premier aspect de l'invention consiste à mettre à niveau l'installation. Pour cela, en référence à la figure 2, il s'agit ainsi d'ajouter à l'installation :
Un deuxième conducteur électrique 2, et
Un convertisseur de puissance PC.
Le convertisseur de puissance PC comporte trois bornes électriques, une première borne X, une deuxième borne Y et une troisième borne Z.
Le deuxième conducteur électrique 2 comporte une première borne de connexion 2_1 et une deuxième borne de connexion 2_2 venant se connecter uniquement à la deuxième borne principale B.
On entend par l'expression "connectée uniquement" le fait que le conducteur électrique n'est pas connecté à autre chose qu'à la deuxième borne principale B, ou autrement dit qu'il ne comporte pas de point de dérivation, ou autre point de connexion vers une autre borne ou vers un autre terminal que la deuxième borne principale B. Les deux conducteurs électriques sont donc connectés en parallèle à la deuxième borne principale B.
Le convertisseur de puissance PC est inséré dans l'installation de la manière suivante :
Sa première borne X est connectée à la première borne principale A ;
La première borne de connexion 1_1 du premier conducteur électrique 1 est connectée à sa deuxième borne Y ;
La première borne de connexion 2_1 du deuxième conducteur électrique est connectée à sa troisième borne Z ;
Le convertisseur de puissance inséré dans l'installation est ainsi destiné à être commandé pour répartir la puissance électrique dans les deux conducteurs électriques. En considérant que la puissance totale à transmettre est de P+AP, le convertisseur de puissance PC permet de garantir que le premier conducteur électrique 1 transmette la puissance électrique P et que le deuxième conducteur électrique 2 transmette la puissance électrique AP.
L'insertion du convertisseur de puissance PC permet de faire en sorte d'utiliser un deuxième conducteur électrique 2 dimensionné au plus juste pour passer le surplus de puissance AP, sans surdimensionnement inutile, limitant ainsi les surcoûts.
En référence à la figure 3, le convertisseur de puissance PC peut comporter une première source de tension Vi qui, sur commande, peut être connectée en série avec le premier conducteur électrique 1 et une deuxième source de tension V2 qui, sur commande, peut être connectée en série avec le deuxième conducteur électrique 2. Le convertisseur de puissance PC comporte également des moyens 3 configurés pour assurer un échange d'énergie électrique entre les deux sources de tension Vi, V2, en vue de répartir le courant total IT dans chaque conducteur électrique 1 , 2 et distribuer la puissance électrique dans chaque conducteur électrique, en tenant compte du dimensionnement de chaque conducteur électrique. Sur la figure 3, les deux flèches verticales en pointillés illustrent le principe d'échange d'énergie entre les deux sources de tension V1 , V2.
L'insertion possible d'une tension en série avec chaque conducteur électrique 1 , 2 permet de modifier la tension aux bornes des deux conducteurs électriques et donc de répartir les courants de manière adaptée dans les deux conducteurs électriques. Grâce à l’échange d’énergie entre les deux sources de tensions, la répartition des courants est modifiée sans engendrer de pertes significatives. En effet, la puissance absorbée par la source en série avec le conducteur électrique dont on veut réduire le courant est transmise à l’autre source de tension.
Selon un aspect avantageux de l’invention, aucune des bornes X, Y ou Z du convertisseur de puissance PC n’est connectée à la terre. Dans les installations de type HVDC, les conducteurs sont placés à des potentiels par rapport à la terre de plusieurs dizaines de kilovolts voire plusieurs centaines de kilovolts (tensions entre la borne A et la terre ou entre la borne B et la terre). Afin de produire l’effet escompté (contrôle de la répartition des courants entre les deux conducteurs électriques 1 , 2 de l’installation), les tensions entre les bornes X, Y et Z sont du même ordre de grandeur que les chutes de tensions aux bornes de ces conducteurs électriques (tension entre les deux bornes principales A et B) soit de l’ordre de quelques centaines de volts, voir quelques kilovolts. Ainsi, le dimensionnement en tension de ce convertisseur est réduit et sa réalisation est facilitée.
Pour assurer un transfert d'énergie entre chaque source de tension, en référence à la figure 4, les moyens 3 peuvent comporter une source de courant 30 et des moyens de commutation 31 , agencés et commandés pour permettre une connexion de ladite source de courant 30 en parallèle de la première source de tension Vi ou en parallèle de la deuxième source de tension V2.
Il faut noter que, selon la loi des mailles, imposer une tension entre les bornes X et Y du convertisseur d’une part et une tension entre les bornes X et Z du convertisseur d’autre part, revient à imposer la tension entre les bornes Y et Z du convertisseur. Ainsi, un dispositif imposant des tensions entre les bornes Y et Z d’une part et X et Z d’autre part produirait le même effet et ne correspond en réalité qu’à une autre manière de décrire le dispositif décrit plus haut.
Les moyens de commutation 31 peuvent comporter un ou plusieurs interrupteurs de puissance. Le nombre d’interrupteurs de puissance, leur agencement et leurs caractéristiques dépend du signe des courants h et I2 dans chaque conducteur électrique 1 , 2 et de la polarité des tensions insérées dans chaque conducteur électrique. Une unité de commande UC de l'installation est chargée de commander chaque interrupteur de puissance du convertisseur PC, en vue d'obtenir la distribution des courants entre ses deux bornes Y et Z.
La source de courant 30 peut comporter au moins une inductance L.
Selon un aspect particulier de l'invention, en référence à la figure 4, l'architecture générale du convertisseur de puissance PC peut être la suivante :
La première source de tension V1 est connectée entre la première borne X et la deuxième borne Y du convertisseur ;
La deuxième source de tension V2 est connectée entre la première borne X et la troisième borne Z du convertisseur ;
Les moyens de commutation 31 sont connectés entre la deuxième borne Y et la troisième borne Z du convertisseur ;
La source de courant 30 est connectée entre la première borne X du convertisseur et un point milieu M des moyens de commutation ;
Chaque source de tension est créée à l'aide d'un ou plusieurs condensateurs (Ci , C2, C3) connectés de manière adaptée entre les bornes X, Y, Z du convertisseur de puissance PC. Partant des principes ci-dessus, le convertisseur de puissance PC peut être réalisé selon différentes architectures.
Les figures 5 à 10 montrent plusieurs architectures envisageables pour la réalisation du convertisseur de puissance.
L'architecture choisie pour le convertisseur dépendra notamment du degré de réversibilité en courant et en tension dont on souhaite disposer.
La figure 5 montre une première architecture, non réversible en courant et non réversible en tension. Dans cette première architecture :
La première source de tension Vi comporte un premier condensateur Ci. La deuxième source de tension V2 comporte un deuxième condensateur C2. Le premier condensateur Ci est orienté de manière à pouvoir créer une tension positive en série avec le premier conducteur électrique 1 .
Le deuxième condensateur C2 est orienté de manière à pouvoir créer une tension négative en série avec le deuxième conducteur électrique.
Les moyens de commutation 31 comportent un transistor électronique T1 (par exemple type IGBT, IGCT, GTO, MOSFET...) et une diode D1. Pour le transistor T1 , sa grille est pilotée par l'unité de commande UC de l'installation selon une loi de commande déterminée (voir ci-après), son collecteur est connecté au point milieu et son émetteur est connecté à la deuxième borne Y du convertisseur. La diode D1 est connectée entre le point milieu M et la troisième borne Z du convertisseur et orientée passante du point milieu M vers la troisième borne du convertisseur.
La source de courant est formée d'une inductance L, connectée entre la première borne du convertisseur X et le point milieu M des moyens de commutation.
Cette première architecture peut être employée lorsque le courant total IT entre par la première borne X du convertisseur et les deux courants h, I2 sortent du convertisseur PC respectivement par sa deuxième borne Y pour circuler dans le premier conducteur électrique 1 et par sa troisième borne Z pour circuler dans le deuxième conducteur 2. Cette architecture permet d’obtenir une répartition des courants différente de la répartition qui serait observée si les conducteurs étaient mis en parallèle comme sur la figure 1 B. Sur la figure 5, les condensateurs Ci , C2 sont connectés de manière à créer une tension positive en série avec le premier conducteur électrique 1 , pour baisser le courant h et une tension négative en série avec le deuxième conducteur électrique pour augmenter le courant I2. Cette solution peut être employée lorsque le conducteur susceptible d'être surchargé (c'est-à-dire le conducteur avec la plus faible résistance électrique) est le premier conducteur électrique 1. Il est bien entendu possible d'inverser l'architecture pour décharger l'autre conducteur électrique.
La figure 6A et la figure 6B illustrent le principe de fonctionnement de cette première architecture, en présentant le chemin suivi par les courants (représenté en grisé) dans les différentes branches du convertisseur de puissance PC en négligeant les oscillations de courant dans l’inductance.
Sur la figure 6A, le transistor T1 est à l'état fermé. Le courant total IT (=li+l2) entre par la première borne X du convertisseur, traverse l'inductance L puis le transistor Ti. Une partie de ce courant IT sort par la deuxième borne Y du convertisseur de puissance PC, formant le courant h présent dans le premier conducteur électrique 1. Une autre partie du courant lT traverse le premier condensateur Ci , puis le deuxième condensateur C2 pour sortir par la troisième borne Z du convertisseur de puissance PC, formant le courant I2 dans le deuxième conducteur électrique 2.
Sur la figure 6B, le transistor T1 est à l'état ouvert. Le courant total IT (=li+l2) entre par la première borne X du convertisseur de puissance PC, traverse l'inductance L puis la diode D1. Une partie de ce courant IT sort par la troisième borne Z du convertisseur de puissance PC, formant le courant I2 présent dans le deuxième conducteur électrique 2. Une autre partie du courant IT traverse le deuxième condensateur C2, puis le premier condensateur Ci pour sortir par la deuxième borne Y du convertisseur de puissance PC, formant le courant h présent dans le premier conducteur électrique 1 .
Cette première architecture est à considérer de manière non limitative et permet d'illustrer un principe d’une réalisation non réversible en courant et non réversible en tension.
Les figures 7 et 8 montrent des architectures équivalentes à celle de la figure 5. Sur la figure 7, le condensateur C2 est connectée entre la première borne X et la troisième borne Z du convertisseur et un condensateur équivalent C3 est connecté entre les bornes Y et Z du convertisseur de puissance PC. De la même manière, sur la figure 8, le condensateur Ci est connecté entre les bornes X et Y du convertisseur de puissance et un condensateur équivalent C3 est connecté entre les bornes Y et Z. Pour créer les deux sources de tension Vi, V2, il est ainsi possible d'imaginer différentes combinaisons de connexion de deux ou trois condensateurs, entre les bornes X, Y, Z du convertisseur de puissance PC.
La figure 9 montre une deuxième architecture réversible en courant et en tension.
Dans cette deuxième architecture :
La première source de tension V1 comporte un premier condensateur Ci.
La deuxième source de tension V2 comporte un deuxième condensateur C2. Le premier condensateur Ci est orienté de manière à pouvoir créer une tension positive ou négative en série avec le premier conducteur électrique 1.
Le deuxième condensateur C2 est orienté de manière à pouvoir créer une tension positive ou négative en série avec le deuxième conducteur électrique 2.
Les moyens de commutation 31 comportent deux bras de commutation connectés en parallèle entre la deuxième borne Y et la troisième borne Z du convertisseur. Chaque bras de commutation comporte deux ensembles reliés par le point milieu M et formés chacun par exemple d'un transistor T1 , T2, T3, T4 (par exemple de type IGBT, IGCT, GTO, MOSFET...) et d'une diode D1 , D2, D3, D4 en série. Selon la technologie de transistor employée, il est possible de se dispenser des diodes. La grille de chaque transistor est pilotée par l'unité de commande UC de l'installation selon la loi de commande adaptée.
Dans le premier bras de commutation : o Le collecteur de chaque transistor T1 , T2 est connecté au point milieu M et leur émetteur est connecté respectivement à la deuxième borne Y et à la troisième borne Z du convertisseur, via la diode Di, D2. Chaque diode est orientée passante vers la borne correspondante du convertisseur.
Dans le deuxième bras de commutation : o Le collecteur du premier transistor T3 est connecté à la deuxième borne Y du convertisseur et son émetteur au point milieu M2, via la diode D3. Le collecteur du deuxième transistor T4 est connecté à la troisième borne Z du convertisseur et son émetteur est connecté au point milieu M, via la diode D4. Chaque diode est connectée passante dans le sens émetteur vers point milieu.
La source de courant est formée d'une inductance L, connectée entre la première borne X du convertisseur et le point milieu M des moyens de commutation.
Cette deuxième architecture est à considérer de manière non limitative et permet d'illustrer une réalisation dotée d'une réversibilité en courant et en tension. Elle peut être employée quel que soit le signe des courants h et I2, à partir du moment où h et I2 sont de même signe. Dans tous les cas, la tension V3 créée par le convertisseur entre les deux conducteurs peut être positive ou négative, permettant ainsi d’augmenter ou de diminuer le courant h amené à circuler dans le premier conducteur électrique.
La figure 10 montre une troisième architecture, également réversible en courant et en tension. Cette architecture est équivalente à celle de la deuxième architecture, mais réalisée d’une manière plus économique, en employant moins d’interrupteurs électroniques. Dans cette architecture :
La première source de tension V1 comporte un premier condensateur Ci. La deuxième source de tension V2 comporte un deuxième condensateur C2. Le premier condensateur Ci est orienté de manière à pouvoir créer une tension positive en série soit avec le premier conducteur électrique 1 soit avec le deuxième conducteur électrique 2.
Le deuxième condensateur C2 est orienté de manière à pouvoir créer une tension négative en série soit avec le premier conducteur électrique 1 soit avec le deuxième conducteur électrique 2.
Les moyens de commutation comportent un bras de commutation avec deux interrupteurs séparés par le point milieu. Chaque interrupteur comporte un transistor T1, T2 (par exemple de type IGBT, IGCT, GTO, MOSFET...) et une diode D1 , D2 en antiparallèle. Ils comportent également plusieurs interrupteurs de type mécanique (relais ou contacteur par exemple) agencés de manière adaptée pour pouvoir configurer le convertisseur selon le courant qui est à augmenter ou à diminuer. Il peut s’agir de deux groupes de deux interrupteurs. Le premier groupe comporte les interrupteurs Swi, SW2 et est connecté d’une part à la première source de tension et d’autre part à chacun des deux conducteurs électriques. Le deuxième groupe comporte les interrupteurs SW3, SW4 et est connecté d’une part à la deuxième source de tension et d’autre part à chacun des deux conducteurs électriques. Chaque groupe permet de connecter sélectivement la source de tension considérée en série avec le premier conducteur électrique 1 ou en série avec le deuxième conducteur électrique 2.
La source de courant est formée d'une inductance L, connectée entre la première borne du convertisseur et le point milieu M.
Lorsque les interrupteurs Swi et Sw4 sont fermés (Sw2 et Sw3 étant ouverts), la tension Vi est insérée en série avec le premier conducteur électrique 1 et la tension V2 est insérée en série avec le deuxième conducteur électrique 2. Comme dans le cas de la figure 5, le convertisseur est alors utilisé pour diminuer le courant dans le conducteur 1 et pour augmenter le courant dans le conducteur 2.
Lorsque les interrupteurs SW2 et Sw3 sont fermés (Swi et SW4 étant ouverts), la tension V1 est insérée en série avec le deuxième conducteur électrique 2 et la tension V2 est insérée en série avec le premier conducteur électrique 1. De manière duale au cas de la figure 5, le convertisseur de puissance PC est utilisé pour augmenter le courant dans le premier conducteur électrique 1 et pour diminuer le courant dans le deuxième conducteur électrique 2.
La figure 11 permet d’illustrer les avantages à insérer un convertisseur dans l’installation pour mieux répartir les courants. En dehors du convertisseur, l’installation présente les mêmes caractéristiques que celles décrites ci-dessus en liaison avec la figure 1 D. Pour rappel, on a ainsi au départ :
La puissance totale PT à transmettre, égale à P+AP, valant 1.6 GW.
Le premier conducteur électrique 1 avec une section de 1200 mm2 lui permettant de transmettre une puissance nominale P/ de 0.71 GW.
Dans ce cas, le deuxième conducteur électrique 2 présente une section de 1900 mm2, lui permettant de transmettre une puissance nominale P2' de 0.92 GW. Dans l’exemple de la figure 1 D, la section était de 2400 mm2, lui permettant de transmettre une puissance nominale P2' de 1.05 GW.
Le convertisseur de puissance PC est commandé pour créer une première tension V1 en série avec le premier conducteur électrique 1 et une deuxième tension V2 en série avec le deuxième conducteur électrique 2, permettant de modifier la distribution naturelle du courant entre les deux conducteurs électriques. Ainsi, pour la puissance totale PT de 1 ,6 GW, le premier conducteur électrique 1 va transmettre une puissance de 0.68 GW avec un courant h de 1.07 kA et le deuxième conducteur électrique 2 va transmettre une puissance de 0.92 GW avec un courant I2 de 1.43 kA.
Pa rapport à l’exemple de la figure 1 D, on constate que la section du deuxième conducteur électrique 2 a pu être réduite tout en maintenant la température des conducteurs à une valeur inférieure ou égale à la température maximale admissible (70°C dans cet exemple). Le coût du deuxième conducteur électrique 2 est donc réduit pour la même puissance totale P+AP transmisse.
Selon un aspect particulier de l’invention, il s'avère que le convertisseur de puissance peut être surtout utile lorsqu’une répartition fine du courant doit être opérée, notamment lorsque la puissance à transmettre est proche de la valeur maximale (P+AP) pour laquelle l’installation est dimensionnée. En dehors de ça, il peut s’avérer pertinent de ne pas utiliser le convertisseur PC en laissant le courant total se répartir de manière naturelle, selon le dimensionnement de chacun des deux conducteurs électriques 1 , 2. Pour cela, en référence à la figure 12, l’installation peut intégrer un dispositif de mise en service/hors service du convertisseur de puissance PC. Ce dispositif peut comporter un premier interrupteur Sws connecté entre la première borne principale A et la première borne de connexion 1_1 du premier conducteur électrique 1 , en parallèle de la première source de tension V1 formée entre la première borne X et deuxième borne Y du convertisseur PC, et un deuxième interrupteur Swe connecté entre la première borne principale A et la première borne de connexion 2_1 du deuxième conducteur électrique 2, en parallèle de la deuxième source de tension V2 formée entre la première borne X et de la troisième borne Z du convertisseur PC. Lorsque les deux interrupteurs Sws, Swe sont fermés, le convertisseur PC est hors service, donc inopérant en étant contourné (« bypass » en anglais), permettant au courant de se répartir naturellement dans les deux conducteurs 1 , 2, en fonction de leur résistance respective. Dans cette réalisation de la figure 12, le convertisseur PC est par défaut contourné, donc non utilisé. Il peut être mis en service et donc inséré dans l’installation lorsque la puissance transmise par l’un des deux conducteurs atteint sa puissance nominale (P/ pour le premier conducteur électrique 1 , P2' pour le deuxième conducteur électrique 2). Si la puissance totale continue d’augmenter, le convertisseur PC est commandé pour insérer les tensions adaptées en série avec chacun des conducteurs 1 , 2 et distribuer le courant entre les deux conducteurs pour rééquilibrer les puissances. La figure 13 montre un exemple d’algorithme de commande de l’installation telle que représentée sur la figure 12, O correspond à la branche "Oui" et N correspond à la branche "Non"). Les étapes sont les suivantes :
E0 : Etape de démarrage de l'algorithme.
E1 : Le convertisseur est par défaut hors service dans l’installation, les interrupteurs Sws, Swe étant à l’état fermé pour le contourner. L’unité de commande UC est chargée de mesurer/estimer un ou plusieurs paramètres physiques des deux conducteurs électriques 1 , 2, parmi la température, le courant, la puissance électrique...
E2 : L'unité de commande UC effectue des tests sur chacun des paramètres mesurés/estimés par rapport à des valeurs seuils. o Tant qu'aucun de ces paramètres ne dépasse la valeur seuil, l'unité de commande exécute l'étape E1 . o Dans le cas où au moins l’un des paramètres surveillés prend une valeur supérieure à une valeur seuil ou si un opérateur le décide, l’unité de commande place le convertisseur de puissance PC en service et l’insère dans l’installation en ouvrant les deux interrupteurs Sws, Swe.
E3 : L'unité de commande insère ainsi le convertisseur de puissance PC entre les deux bornes principales A, B. Dans son mode en service, les moyens de commutation 31 du convertisseur de puissance PC sont ainsi commandés par l’unité de commande UC pour remplir un ou plusieurs des objectifs suivants : o Maintenir entre les deux conducteurs, pour un paramètre donné, un rapport constant (par exemple un rapport de courant électrique constant) ; o Maintenir une différence donnée sur un paramètre, entre les deux conducteurs ; o Contrôler un ou plusieurs des paramètres pour le maintenir à un niveau de référence. Cette action peut être mise en œuvre à l’aide d’une boucle de régulation chargée de déterminer les commandes à appliquer au convertisseur pour maintenir le paramètre mesuré ou estimé à la valeur de référence ;
E4 Lorsque le convertisseur de puissance PC n’est plus requis (le paramètre surveillé repasse sous la valeur seuil) ou sur décision d’un opérateur, le convertisseur de puissance PC peut à nouveau être mis hors service.
De manière alternative, le convertisseur de puissance pourrait être par défaut inséré dans l’installation (les interrupteurs Sws, Swe ouverts) avec les moyens de commutation 31 commandés par UC de manière à n’ajouter aucune tension en série avec les deux conducteurs électriques.
On comprend de ce qui précède que la solution de l'invention permet de mettre à niveau une installation haute tension à courant continu, de manière simple et fiable, apportant un dimensionnement au plus juste, limitant ainsi les coûts.

Claims

REVENDICATIONS
1 . Procédé de configuration d'une installation haute tension à courant continu, ladite installation comportant une première borne principale (A) et une deuxième borne principale (B) entre lesquelles est transmise une puissance électrique dite d'entrée/sortie, un premier conducteur électrique (1) qui comporte une première borne de connexion (1_1) et une deuxième borne de connexion (1_2), sa deuxième borne de connexion (1_2) étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale (B), ledit premier conducteur électrique (1) étant dimensionné pour transmettre une première puissance électrique nominale (P?), ledit procédé étant caractérisé en ce qu'il consiste à :
- Ajouter un deuxième conducteur électrique (2), qui comporte une première borne de connexion (2_1) et une deuxième borne de connexion (2_2), sa deuxième borne de connexion (2_2) étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale (B), ledit deuxième conducteur électrique (2) étant dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale (P2),
- Ajouter un convertisseur de puissance (PC) qui comporte une première borne (X), une deuxième borne (Y) et une troisième borne (Z), ledit convertisseur de puissance étant inséré dans ladite installation de sorte que sa première borne est connectée à la première borne principale (A), sa deuxième borne (Y) est connectée à la première borne de connexion (1_1) du premier conducteur électrique (1) et sa troisième borne est connectée à la première borne de connexion (2_1) du deuxième conducteur électrique (2), ledit convertisseur de puissance comportant également une première source de tension (Vi) et une deuxième source de tension (V2), et des moyens (3) commandables d'échange d'énergie entre la première source de tension (Vi) et la deuxième source de tension (V2),
Configurer une unité de commande (UC) du convertisseur de puissance (PC) pour la rendre apte à commander le convertisseur de puissance (PC) en vue de régler la tension fournie par ladite première source de tension (Vi) en série avec le premier conducteur électrique (1) et la tension fournie par la deuxième source de tension (V2) en série avec ledit deuxième conducteur électrique et répartir ladite puissance électrique d'entrée/sortie dans le premier conducteur électrique (1) et dans le deuxième conducteur électrique (2), en tenant compte de la première puissance électrique nominale (P/) que le premier conducteur électrique (1) est apte à transmettre et de la deuxième puissance électrique nominale (P2') que le deuxième conducteur électrique est apte à transmettre.
2. Procédé selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le deuxième conducteur électrique est dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale (P2') distincte de la première puissance électrique nominale (Pi').
3. Procédé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il consiste à insérer un dispositif de mise en service/hors service du convertisseur de puissance, et à commander ledit dispositif de mise en service/hors service pour insérer le convertisseur de puissance entre les deux bornes principales ou le contourner.
4. Installation haute tension à courant continu qui comporte une première borne principale (A) une deuxième borne principale (B) entre lesquelles est transmise une puissance électrique dite d'entrée/sortie, un premier conducteur électrique (1) qui comporte une première borne de connexion (1_1) et une deuxième borne de connexion (1 _2), sa deuxième borne de connexion (1_2) étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale (B), ledit premier conducteur électrique (1) étant dimensionné pour transmettre une première puissance électrique nominale (P?), ladite installation étant caractérisée en ce qu'elle est configurée selon le procédé tel que défini dans l'une des revendications 1 à 3, en intégrant :
Un deuxième conducteur électrique (2), qui comporte une première borne de connexion (2_1) et une deuxième borne de connexion (2_2), sa deuxième borne de connexion (2_2) étant connectée uniquement à ladite deuxième borne principale (B), ledit deuxième conducteur électrique (2) étant dimensionné pour transmettre une deuxième puissance électrique nominale (P2'),
Un convertisseur de puissance (PC) qui comporte une première borne (X), une deuxième borne (Y) et une troisième borne (Z), ledit convertisseur de puissance étant inséré dans ladite installation de sorte que sa première borne est connectée à la première borne principale (A), sa deuxième borne (Y) est connectée à la première borne de connexion (1_1) du premier conducteur électrique (1) et sa troisième borne est connectée à la première borne de connexion (2_1) du deuxième conducteur électrique (2), ledit convertisseur de puissance comportant également une première source de tension (Vi) et une deuxième source de tension (V2), et des moyens (3) commandables d'échange d'énergie entre la première source de tension (V1) et la deuxième source de tension (V2),
Une unité de commande (UC) desdits moyens (3) commandables,
Lesdits moyens (3) commandables du convertisseur de puissance (PC) étant commandés par l'unité de commande (UC) pour régler la tension fournie par ladite première source de tension (V1) en série avec le premier conducteur électrique (1) et la tension fournie par la deuxième source de tension (V2) en série avec ledit deuxième conducteur électrique et répartir ladite puissance électrique d'entrée/sortie dans le premier conducteur électrique (1) et dans le deuxième conducteur électrique (2), en tenant compte de la première puissance électrique nominale (P?) que le premier conducteur électrique (1) est apte à transmettre et de la deuxième puissance électrique nominale (P2') que le deuxième conducteur électrique est apte à transmettre.
5. Installation selon la revendication 4, caractérisée en ce que la première source de tension (V1) est créée entre la première borne (X) et la deuxième borne (Y) du convertisseur de puissance (PC) et la deuxième source de tension (V2) est créée entre la première borne (X) et la troisième borne (Z) du convertisseur de puissance (PC).
6. Installation selon la revendication 5, caractérisée en ce que lesdits moyens (3) commandables comportent des moyens de commutation (31) connectés entre la deuxième borne (Y) et la troisième borne (Z) du convertisseur et une source de courant (30) connectée entre la première borne (X) du convertisseur et un point milieu (M) desdits moyens de commutation (31).
7. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de commutation (31) sont choisis non réversibles en courant et non réversibles en tension.
8. Installation selon la revendication 6, caractérisée en ce que les moyens de commutation (31) sont choisis réversibles en courant et réversibles en tension.
9. Installation selon l'une des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que la source de courant (30) comporte une inductance (L).
10. Installation selon l'une des revendications 4 à 9, caractérisé en ce que la première source de tension (V1) comporte un premier condensateur (Ci) et en ce que la deuxième source de tension (V2) comporte un deuxième condensateur (C2).
11. Installation selon l’une des revendications 4 à 10, caractérisé en ce qu'elle comporte un dispositif de mise en service/hors service du convertisseur de puissance et une unité de commande (UC) configurée pour commander ledit dispositif de connexion/déconnexion en vue d’insérer le convertisseur de puissance entre les deux bornes principales ou de le contourner.
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