FR2990309A1 - Dispositif de controle non-lineaire d'un convertisseur dc/dc pour application au transport de courant hvdc. - Google Patents

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 30 sources d'énergies (génératrices éoliennes, génératrices marémotrices, panneaux solaires) et d'une SP52124 /MJ 2 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 10 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 15 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 20 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 25 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 30 continu sont utilisables pour des connexions sous marines de plus de 60 km.

SP52124 /MJ 3 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.

SP52124 /MJ 4 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 oeuvre 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 oeuvre 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 oeuvre 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 oeuvre des techniques de poursuite en temps réel du point de puissance maximale.

Il est à noter que certaines recherches sont actuellement menées pour concevoir un convertisseur SP52124 /MJ 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 5 tension HVDC 40. Ces recherches visent à utiliser la complémentarité des sources d'énergies renouvelables. La figure lc 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 lc, 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 20 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 oeuvre des 25 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 30 haute tension.

SP52124 /MJ 6 Enfin, La topologie DAB est avantageuse en ce qu'elle permet la mise en oeuvre de techniques de modulation basées sur l'utilisation de rapports cycliques arbitraires afin de réduire la puissance 5 réactive du transformateur ainsi que les pertes de commutation. En effet, des commutations à zéro de tension (ZVS pour Zero voltage switching), ou encore à zéro de courant (ZCS pour Zero current switching) des commutateurs peuvent être mises en oeuvre pour réduire 10 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 15 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. 20 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 25 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. 30 Si l'on considère l'intégration du convertisseur DC/DC en topologie DAB dans le schéma des figures la ou SP52124 /MJ 7 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 5 HVDC 40 et a à ses bornes la tension Vma . 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 10 quatre commutateurs J1, J2, J3, J4 et une capacité Cl. Les commutateurs J1 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. 15 Le primaire 21a est connecté au convertisseur basse tension 20a via un premier noeud entre les commutateurs J1 et J3 et via un second noeud entre les commutateurs J2 et 34. Le convertisseur haute ,tension 20b comprend quatre 20 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 25 connecté au convertisseur haute tension 20b via un premier noeud entre les commutateurs J6 et J8 et via un second noeud entre les commutateurs J5 et J7. Les commutateurs J1,J2,J3,J4,J5,J6,J7,J8 sont classiquement des transistors bidirectionnels du type à 30 effet de champ (FET). La bidirectionnalité des commutateurs et l'utilisation d'un transformateur 21 SP52124 /MJ 8 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 j1 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 Vma' aux bornes du secondaire 21b en une tension DC Vme aux bornes du convertisseur haute tension 20b. On comprend qu'un fonctionnement symétrique a lieu lorsque le convertisseur DC/DC en topologie DAB est 30 utilisé pour transférer une puissance du convertisseur haute tension 20b vers le convertisseur basse tension SP52124 /MJ 9 20a. Dans ce cas, le courant j1 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 10 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 15 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 20 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. 25 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 30 pourtant entrevoir une augmentation nette de la tension de blocage des MCSFET SiC jusqu'à 10 kV et des JFET Sic SP52124 /MJ 10 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 SP52124 /MJ 11 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 in-total - En sortie, il produit une tension Vont-total et un courant iour. 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 égal à 1n-totab n 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 in, avec ni> 1 . En sortie du convertisseur DC/AC haute tension de chaque niveau, la tension est donc V't=rn.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 20 la tension V out-total = et un courant 'OUT = m.n L'avantage d'une telle configuration est que la tension V out-total en sortie du convertisseur est égale à la somme des tensions V,,,a en sortie de chacun des n 25 niveaux. Un choix approprié de la valeur n et du rapport de conversion m permet d'obtenir une tension Vout-total élevée tout en limitant la tension maximale, ou le courant maximal que doivent supporter les commutateurs du convertisseur DC/AC haute tension, 30 respectivement basse tension de chaque niveau. Des SP52124 /MJ 12 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 5 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 10 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 15 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 20 condition nécessaire pour assurer la stabilité globale du réseau d'électricité tel que décrit en relation avec les figures la, lb et lc. Les sources d'instabilité, par exemple décrites dans l'article intitulé « Stability Analysis of high25 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, 30 contrôlés par des techniques de modulation du type MLI (PWM), peuvent injecter des harmoniques de conduction SP52124 /MJ 13 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 SP52124 /MJ 14 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 30 de la source de réseau.

SP52124 /MJ 15 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 15 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. 20 - 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 lc, déjà décrite, illustre le schéma 25 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 ; SP52124 /MJ 16 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 multiniveau 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 multiniveau selon l'invention est décrit en relation avec les figures la,lb,lc et 2. Le convertisseur DC/DC multi-niveau est adapté à transférer de manière bidirectionnelle une puissance SP52124 /MJ 17 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 5 supérieure â 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 lc, la source de réseau peut comprendre l'élément de stockage 70b et le réseau de distribution d'électricité 60 relié 10 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 multiniveau DC/DC, mais peut aussi fournir une tension DC au 15 convertisseur multi-niveau DC/DC. En référence avec les figures la,lb et lc, 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 20 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. 25 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 30 être un élément de stockage d'énergie électrique.

P52124 /MJ 18 Le convertisseur multi-niveau DC/DC comprend n niveaux, avec n > 2. Chacun des niveaux est configure de la même manière et comprend un module de conversion et un module de 5 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 10 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 15 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 20 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 V't. Le rapport de transformation m du module de conversion du k ième niveau est supérieur ou égal à 1. 25 De préférence, m est choisi de sorte que m> vout Vin-max avec Vin-ma, 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 oeuvre des techniques de commutation SP52124 /MJ 19 à zéro de tension dans les commutateurs J5, J6, J7, J8 du convertisseur DC/AC haute tension 20b. Selon invention, tous les convertisseurs DC/AC haute tension 20b des n modules de conversion sont mis 5 en parallèle afin que la somme Vout des n tensions en sortie des convertisseurs DC/AC haute tension 20b soit égale à la tension V out-total donnée par la source de réseau. Par conséquent, lorsque le transfert de puissance 10 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 V0_ total à partir d' une ou d' une pluralité de source (s) de tension élémentaire (s) . 15 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 20 tension Vout-total - Un stockage dynamique d' énergie peut alors être mis en oeuvre via les éléments de stockage du réseau. De préférence, chaque module de conversion est dimensionné en fonction de la source élémentaire de 25 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 30 DC/DC ont la même source élémentaire de tension afin de diminuer les contraintes de dimensionnement imposées à SP52124 /MJ 20 leurs commutateurs J1,J2,J3,J4,J5,J6,J7,38 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 10 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 15 n'est connecté qu'a un seul module de conversion. Plus précisément, un module de commande est connecté aux grilles des commutateurs J1,J2,J3,J4,J5,36,J7,J8 d'un module de conversion pour contrôler les états de commutation des commutateurs. 20 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. 25 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 oeuvre de la commande d'un module de conversion est aisée car l'algorithme de 30 commande n'est élaboré que pour un seul niveau puisque le contrôle des autres niveaux est identique du fait de SP52124 /MJ 21 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 5 commandés en tension et sont par exemple des transistors du type MOSFET, JFET ou encore IGBT. 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 j1 dans le 10 convertisseur DC/AC basse tension 20a du module de conversion soit égale à une valeur de courant de référence, notée imi'ef. La consigne envoyée est le décalage de phase d entre la tension AC au primaire 21a, noté Vin' et la 15 tension AC au secondaire 21b, notée Vma', 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 20 résultat de la comparaison entre j1 et - - im1-ref de manière à ajuster la puissance transmise par le module de conversion. En effet, le signe du courant de référence t -7711-ref permet de diriger le flux de puissance, tandis que sa 25 valeur ajuste le niveau de puissance transmise. Plus précisément, et pour un niveau du convertisseur DC/DC multi-niveau, si i -7121-ref >0 alors le transfert de puissance a lieu d'une source élémentaire vers la source de réseau. Si <0 alors le 30 transfert de puissance a lieu de la source de réseau SP52124 /MJ 22 vers la source élémentaire. Lorsque iml-ref est nul, alors le niveau est désactivé. Les instabilités sur la valeur du courant i1 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 mref propre à chaque niveau, est transmise à chaque module de 10 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. 15 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 l'invention. 20 Le schéma de modulation mis en oeuvre 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. 25 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 oeuvre dans l'invention sont valables pour d'autres schémas de modulation. 30 Le comportement dynamique global d'un module de conversion est analysé au moyen de la technique de SP52124 /1\11J 23 modélisation moyenne en espace d' état. Afin de mettre en oeuvre 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 Ji, J2, J3, J4, J5, J6, J7, J8. D' autre part, un même type de transistor est utilisé pour les commutateurs J1, 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 RDS0n1 est mise en série de chaque commutateur J1, J2, J3, J4 et une résistance de conduction RDS'2 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 out' - 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 état bloqué du commutateur :30 SP52124 /MJ 24 Intervalles Ji 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 [T/2, off on on off on off off on (1/2+d) .T] [ (1/2+d) .T,T] 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 5 basse tension 20a d'un module de conversion, le secondaire 21b reçoit une tension AC Vota' et le transformateur 21 transforme la tension V,'a' en tension Vin' à son primaire 21a, avec V<: in'V - out'- Dans ce cas, d < 0 et l'état des commutateurs est 10 alors donné par le tableau 2 suivant : Intervalles J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 [0,1c/LT] on off off on on off off on [id' .T, T/2] on off off on off on on off [T/2, off on on off off on on off (1/2-Elcil) .T] [(1/2+1d1) .T,T] off on on off on off off on Tableau 2 La modélisation moyenne en espace d'état du module 15 de conversion est mise en oeuvre sur une période de commutation T. On démontre que sur cette période T, l'intensité moyenne ini1 du courant il dans le convertisseur DC/AC basse tension est régie par un SP52124 /MJ 25 système différentiel linéaire du premier ordre à coefficients constants, tel que : d imi(t) Rtotal T.Rtota .d.(1 21d1).v°utt (1) ° Irni(t) n dt L2 RDSon2 , avec Rtotal= (RDSonl + n2 ) 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 : 1r; y 1 frj, (2) Qiml = -2 Yml iml-reff = -2 iml) avec Eimi =- (imi - ml-re f) l'erreur de régulation Selon la théorie de Lyapunov, la stabilité de la 20 fonction Qimi est assurée pour : Qtml = Eiml - ( Rtotal - 1m1 T.Rtotal. d. (1 21dI). Vouti L2 tml-ref) (3) En supposant que : Rtotal T.Rtotal Vouti - im1L2 d - . (1- 21c11). fl21-ref= -affin. Eimi sign(E irai) (4) avec aimi 0 et igimi _> 35 La condition suffisante pour assurer la stabilité du module de conversion est de choisir aiL >0 et ,eiL > O. Les valeurs au, et fliL dépendent notamment des composants 25 30 SP52124 /MJ 26 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 : d = .S1 + .S2 i-vi-8K -1-1-vi+8K 4 4 ( 5 ) avec , Rtotal; 1 K= aimrEimi fliml.sign(E'imi)-rind_ref m cmi] Rtotat.T.voutt S1 =0 et S2=1 si in,i_'f < 0 S1 =1 et S2=0 si imt_ref> 0 S1 =0 et S2=0 si imi_ref =0 Cet algorithme est mis en oeuvre par un circuit logique du module de contrôle. Le module CPU comprend un module de communication 20 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 25 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 iml-ref Oi OU 30 désactivé, lorsque iml_ref 0. Cette caractéristique permet notamment d'adapter le convertisseur DC/DC SP52124 /MJ 27 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 10 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 15 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 20 désactivés à distance très simplement. Avantageusement, le convertisseur selon l'invention comprend environ 20% de modules de réserve.

Claims (4)

1. REVENDICATIONS1. Convertisseur multi-niveau DC/DC comprenant n étages REVENDICATIONS1. 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 (Vout-total) 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 (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 comprenant en outre un premier convertisseur (20a) et un second convertisseur (20b), chacun desdits convertisseurs contenant une pluralité de commutateurs bidirectionnels (J1,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 étant connecté aux bornes dudit primaire, ledit second convertisseur étant connecté aux bornes dudit secondaire, ledit primaire ayant à ses bornes uneSP52124 /MJ 29 première tension AC (Vin') et le secondaire ayant à ses bornes une seconde tension AC (70,j), ledit premier convertisseur ayant à ses bornes une première tension DC donnée par la source élémentaire aux bornes de laquelle il est connecté et le 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 (i1) dans ledit premier convertisseur (20a) avec un courant de référence H et ajustant le décalage de phase (d) s-ml-ref) 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 (Vo 1 - ut) en sortie desdits seconds convertisseurs étant égale à la tension (V0-total) de la source de réseau.
2. 2. Convertisseur multi-niveau selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'au moins deux modules de conversion sont connectés à la même source de tension élémentaire.30SP52124 /MJ 30
3. 3. Convertisseur multi-niveau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'une valeur du courant de référence est transmise à chacun des n modules de contrôle par un module CPU.
4. 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 (mi-ref) du module de commande dudit module de réserve étant nulle.