CONVERTISSEUR DE PUISSANCE A ARCHITECTURE EVOLUTIVE POUR GESTION DU. FLUX D'ENERGIE DE LARGE PUISSANCE ENTRE UNE SOURCE DE COURANT CONTINU ET UNE SOURCE DE COURANT .ALTERNATIF DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE L'invention concerne un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie de large puissance, par exemple dans une gamme allant de 1 à 10 mégawatt, entre une source de courant continu et une source de courant alternatif. ÉTAT DE LA TECHNIQUE ANTÉRIEURE Dans le domaine de la conversion de puissance, une première solution de l'art connu consiste à disposer en parallèle des composants semiconducteurs pour augmenter le calibre de la batterie en courant. Ainsi la figure lA illustre la mise en parallèle de composants semi-conducteurs 10 pour réaliser un convertisseur courant continu-courant alternatif ou « continu-alternatif » (DC/AC) 13. Comme illustré sur la figure 1, ce convertisseur continu- alternatif (DC/AC) 13 est situé entre un ensemble de stockage (batterie) courant continu (DC) 11 et un réseau alternatif 12 au moyen d'une inductance de lissage 14, d'un transformateur réseau 15 et d'un interrupteur 16. De plus, un filtre batterie 17 est disposé en entrée de ce convertisseur 13 et un filtre. réseau 18 est disposé en entrée du transformateur réseau 15.. Ainsi, pour chaque calibre de l'ensemble de stockage 11, il existe un convertisseur associé constitué soit d'un composant semi-conducteur propre, soit d'un ensemble de composants semi-conducteurs disposés en parallèle. Cette première solution de l'art connu présente les limitations suivantes : - La distribution du courant sur chacun des composants semi-conducteurs n'est pas identique. 10 - La commande des composants semi- conducteurs nécessite une commande (« driver ») particulière complexe, avec difficulté d'assurer la simultanéité. La fréquence de commutation des 15 composants semi-conducteurs de forte puissance est souvent lente, les convertisseurs générant des ondulations de grande amplitude, un filtrage volumineux étant donc nécessaire. - Une augmentation de la fréquence de 20 commutation des convertisseurs peut être appliquée pour diminuer le filtrage mais cela entraîne de fortes pertes par commutation. Une seconde solution de l'art connu consiste à disposer en parallèle des convertisseurs 25 continu-alternatif (DC/AC) 13, 13', en utilisant classiquement un bus courant continu (DC) commun, comme illustré sur la figure 2. Cette seconde solution de l'art connu présente les limitations suivantes : 30 - La distribution des courants I est mal répartie entre les convertisseurs 13 et 13' . - Une synchronisation parfaite est nécessaire, sinon il y a circulation de courants entre les convertisseurs. Une troisième solution de l'art connu consiste à utiliser des convertisseurs continu-alternatif (DC/AC) propres pour chaque puissance, ces convertisseurs ayant une topologie complexe multiniveaux, comme illustré sur la figure 3. Cette troisième solution de l'art connu 10 présente les limitations suivantes : - Les convertisseurs multi-niveaux se révèlent complexes à piloter et la distribution des efforts n'est pas répartie d'une façon homogène sur tous les composants semi-conducteurs. 15 - Les topologies utilisées ne sont pas adaptées pour des tensions relativement basses, par exemple inférieures à 1 kilovolt courant continu (DC). - Cette solution peut diminuer la disponibilité de la fonction stockage d'énergie au 20 premier défaut. Pour pallier aux inconvénients des solutions de l'art connu, l'invention a pour objet de proposer un convertisseur de puissance à architecture évolutive permettant à la fois : 25 - de faire évoluer la puissance en utilisant toujours une même structure de base, - de changer facilement de puissance de batterie et d'assurer la fonction de charge et décharge toujours de la même manière, 30 - d'utiliser une structure de base simple, évolutive en puissance et compacte permettant des performances élevées, avec des ondulations du courant réduites et un fort rendement. EXPOSÉ DE L'INVENTION L'invention concerne un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie entre une source de courant continu, par exemple une batterie, et une source de courant alternatif, caractérisé par au moins deux structures de base connectées entre elles du côté courant continu et du côté courant alternatif, sans liaison par bus courant continu, au moyen d'un entrelacement des liaisons du côté courant continu et du côté courant alternatif.POWER CONVERTER HAVING AN EVOLUTIVE ARCHITECTURE FOR MANAGING THE. BACKGROUND OF THE INVENTION The invention relates to a power converter with a scalable architecture for managing the flow of energy of large power, for example in a range of ranging from 1 to 10 megawatts, between a DC power source and an AC power source. STATE OF THE PRIOR ART In the field of power conversion, a first known solution consists in arranging semiconductor components in parallel in order to increase the current size of the battery. Thus FIG. 1A illustrates the paralleling of semiconductor components 10 to produce a DC-AC or "DC-AC" converter. As illustrated in FIG. 1, this DC-AC converter (FIG. DC / AC) 13 is located between a storage assembly (battery) DC (DC) 11 and an AC network 12 by means of a smoothing inductor 14, a network transformer 15 and a switch 16. From more, a battery filter 17 is disposed at the input of this converter 13 and a filter. network 18 is arranged at the input of the network transformer 15. Thus, for each gauge of the storage assembly 11, there is an associated converter consisting of either a specific semiconductor component or a set of semiconductor components. conductors arranged in parallel. This first solution of the prior art has the following limitations: The distribution of the current on each of the semiconductor components is not identical. 10 - The control of semiconductor components requires a particular command ("driver") complex, with difficulty to ensure simultaneity. The switching frequency of the high power semiconductor components is often slow, since the converters generate large amplitude ripples, thus requiring large filtering. An increase in the switching frequency of the converters can be applied to decrease the filtering but this results in high switching losses. A second known solution consists in arranging in parallel the DC-AC converters 13, 13 ', conventionally using a common DC bus, as illustrated in FIG. The solution of the prior art has the following limitations: The distribution of the currents I is poorly distributed between the converters 13 and 13 '. - Perfect synchronization is necessary, otherwise there is circulation of currents between the converters. A third known solution is to use clean DC-AC converters for each power, these converters having a multilevel complex topology, as shown in FIG. 3. This third solution of the known art 10 has the following limitations: - Multilevel converters prove to be complex to drive and the distribution of the forces is not distributed in a homogeneous way on all the semiconductor components. The topologies used are not suitable for relatively low voltages, for example less than 1 kilovolt DC (DC). This solution may decrease the availability of the energy storage function at the first fault. In order to overcome the drawbacks of the solutions of the known art, the purpose of the invention is to propose a scalable architecture power converter enabling both: - to change the power by always using the same basic structure, - to to easily change battery power and to ensure the charging and discharging function always in the same way, - to use a simple basic structure, scalable in power and compact allowing high performance, with reduced current ripple and a strong yield. DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention relates to a scalable architecture power converter for managing the flow of energy between a DC power source, for example a battery, and an AC power source, characterized by at least two basic structures. connected to each other on the DC side and the AC side, without DC bus connection, by means of an interleaving of the DC and AC side links.
Avantageusement chaque structure de base comporte : - une inductance courant continu, - un convertisseur continu-continu, - un convertisseur continu-alternatif, - une inductance courant alternatif, - un filtre courant continu en entrée de cette au moins une structure de base, - un filtre courant alternatif en sortie de cette au moins une structure de base, suivi d'un transformateur réseau, et - une unité de commande de la au moins une structure de base. Avantageusement le convertisseur de l'invention comprend plusieurs structures de base 30 disposées en parallèle. Avantageusement les entrées des structures de base disposées en parallèle sont entrelacées et les sorties des structures en cascade disposées en parallèle sont également entrelacées. Le réseau alternatif peut être un réseau monophasé ou triphasé. La gamme de puissance est comprise entre 2 et 10 mégawatt. Avantageusement l'invention réalise un entrelacement équidistant et symétrique des parties DC et les parties courant alternatif des structures de base sans relier leurs bus courant continu respectifs dans le but de pouvoir augmenter la puissance en modifiant le nombre de structures de base en parallèle. Le dispositif de l'invention présente ainsi les avantages suivants : - A partir d'une structure de base et d'une granularité de puissance, on peut, par mise en parallèle et avec un entrelacement, répondre à une large gamme de puissance de batterie. - Les courants côté courant continu et côté 20 courant alternatif sont parfaitement équirépartis. - Un entrelacement des entrées et sorties permet un filtrage compact et très performant côté DC et côté courant alternatif. - Il n'y a pas de courants de circulation 25 entre les convertisseurs. - Un bus courant continu commun n'est pas nécessaire, ce qui assure une conception plus sûre en cas de défaut à la terre, par exemple par décharge d'un banc de capacité de grande énergie. 30 - La plage de tension de batterie est étendue. - En cas de perte d'une des structures de base, on peut continuer à assurer la fonction de stockage d'énergie électrochimique en. mode dégradé. - Le fait de réaliser une structure évolutive en puissance permet d'aborder différents projets avec une structure de base et des coûts réduits. BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS Les figures 1 et lA illustrent une première solution de l'art connu. La figure 2 illustre une seconde solution de l'art connu. La figure 3 illustre une troisième solution de l'art connu. La figure 4 illustre une structure de base selon l'invention. La figure 5 illustre un premier mode de réalisation du dispositif de l'invention comprenant 20 plusieurs structures de base en parallèle. Les figures 6, 7A-7E, 8A, 8E, 9 et 9A illustrent un second mode de réalisation du dispositif de l'invention. 25 EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS Dans la suite de la description, des éléments analogues entre eux sont représentés avec la même référence. Le dispositif de l'invention, illustré sur 30 la figure 4, est un convertisseur de puissance à architecture évolutive pour gestion du flux d'énergie de large puissance entre une source courant continu (DC), et une source courant alternatif (AC), dans lequel on gère la source courant continu ou ensemble de stockage, 11 séparément de la source courant alternatif, ou réseau alternatif, 12 en utilisant une structure de base 25, dans le but de permettre une mise en parallèle facile. Cette structure de base 25, pilotée par une unité de commande 24, comprend un convertisseur courant continu-courant continu ou continu-continu » (DC/DC) 20 et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21 reliés par un bus DC 22. Le convertisseur continu-continu (DC/DC) 20 est un convertisseur bidirectionnel (pont complet ou demi-pont ou multi niveau continu-continu (DC/DC) relié à l'ensemble de stockage 11 au moyen d'une inductance courant continu 23. Le convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21 est relié au réseau alternatif 12 au moyen d'une inductance de lissage 14. Ce convertisseur peut avoir une structure en demi-pont, qui se prêté parfaitement pour réaliser une fonction abaisseur élévateur (hacheur) et aussi pour une fonction onduleur. La figure 4 illustre l'exemple d'une 25 structure « back to-back » pour une gamme de puissance proche du mégawatt. Mais une telle structure n'est pas restrictive. Dans cet exemple, on peut appliquer un décalage équiréparti des porteuses des MLI (modulation de largeur d'impulsions) de chacun des convertisseurs 30 continu-continu (DC/DC) et à l'intérieur de la structure de base. Cette figure 4 illustre ainsi successivement : - l'ensemble de stockage 11 constitué par une batterie de large capacité en puissance, - un filtre courant continu 17, - une structure de base 25 comprenant - une inductance courant continu 23, - un convertisseur continu-continu (DC/DC) 20 bidirectionnel (abaisseur - élévateur) 20, - un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 21, monophasé ou triphasé, - une inductance de lissage 14, - un filtre courant alternatif 18, - un transformateur réseau 15 monophasé ou 15 triphasé. La figure 5 illustre la mise en parallèle de plusieurs structures de base 25, 25' et 25" selon l'invention. La mise en parallèle de plusieurs convertisseurs continu-continu (DC/DC) 20, 20' et 20 20'' au moyen d' inductances 23, 23' et 23" (plusieurs demi-ponts) permet ainsi d'augmenter les courants d'entrée et de sortie sans paralléliser des composants. En dotant chaque convertisseur continu-continu (DC/DC) élémentaire de sa propre inductance, on peut : 25 - décaler de façon optimale les commutations des convertisseurs continu-continu (DC/DC) entre eux, ce qui permet de minimiser le volume global des inductances, à taux d'ondulation du courant de sortie donné ; 30 - équilibrer presque parfaitement les courants des convertisseurs continu-continu (DC/DC) entre eux et ainsi ne pas avoir à déclasser la capacité des convertisseurs continu-continu (DC/DC), ce qui est nécessaire avec la mise en parallèle directe. De la même manière, plusieurs convertisseurs alternatif-continu (AC/DC) 21, 21' et 21" sont mis en parallèle au moyen des inductances de lissage 14, 14' et 14" en monophasé ou triphasé. La figure 5 montre le principe d'évolution en puissance à partir de la structure de base illustrée sur la figure 10 4, pour une batterie de l'ordre du mégawatt. La figure 6 illustre un second mode de réalisation basé sur une structure « back to back » pour des batteries de plusieurs mégawatt dans lequel on complète la mise en parallèle illustrée sur la figure 5 15 par un entrelacement des entrées courant continu (DC) et sorties courant alternatif (AC). L'entrelacement se fait d'une façon rigoureuse du côté courant alternatif (AC). L'entrelacement du côté courant continu (DC) peut être moins précis que celui du courant alternatif (AC). 20 Mais un entrelacement précis est préférable. L'unité de commande 24 envoie des signaux de commande précisément positionnés dans le temps, afin de synchroniser les convertisseurs côté courant alternatif (AC) et côté courant continu (DC). Les 25 figures 7A-7E donnent un exemple d'entrelacement côté courant continu (DC), et notamment : - le courant de trois demi-bras continu-continu (DC/DC), pour une première structure de base (Figure 7A), - le courant de trois demi-bras continu-continu (DC/DC), pour une seconde structure de base (Figure 7E). - le courant de trois demi-bras continu-5 continu (DC/DC), pour une troisième structure de base (Figure 70), - la somme des courants batteries, pour trois convertisseurs continu-continu (DC/DC) (Figure 7D), 10 - l'ondulation résultante du courant batterie (Figure 7E). Pour le côté courant alternatif, c'est la même technique. La figure 8A illustre une superposition des courants alternatifs. La figure 8E illustre la 15 résultante des courants alternatifs sans filtrage. Les figures 9 et 9A illustrent une solution testée sur un démonstrateur 500 kW de stockage d'énergie avec des batteries Li-ion et des batteries NaS. L'architecture utilisée correspond à la structure 20 de base du dispositif de l'invention comprenant un convertisseur continu-continu (DC/DC) 30 et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC) 31 situés entre la batterie 32 (500 Vdc) et le réseau AC 33 (500 Vac), des enroulements triphasés 34 et 35 étant 25 disposés en entrée et en sortie, une capacité étant disposée entre un convertisseur continu-continu (DC/DC) et un convertisseur continu-alternatif (DC/AC). Sur la figure 9A, les courbes 36 correspondent aux courants des bobinages courant continu 34. La superposition des 30 courants de ces bobinages courant continu 34 a comme résultat le courant 37 avec une ondulation réduite.Advantageously, each basic structure comprises: a direct current inductor, a DC-DC converter, a DC-AC converter, an AC current inductor, a DC input filter of this at least one basic structure, an AC filter at the output of this at least one basic structure, followed by a network transformer, and a control unit of the at least one basic structure. Advantageously, the converter of the invention comprises several basic structures 30 arranged in parallel. Advantageously, the inputs of the basic structures arranged in parallel are interleaved and the outputs of the cascade structures arranged in parallel are also interleaved. The alternative network may be a single-phase or three-phase network. The power range is between 2 and 10 megawatts. Advantageously, the invention achieves an equidistant and symmetrical interleaving of the DC portions and the alternating current portions of the basic structures without connecting their respective DC buses in order to be able to increase the power by modifying the number of basic structures in parallel. The device of the invention thus has the following advantages: - From a basic structure and a power granularity, it is possible, by paralleling and with interlace, to respond to a wide range of battery power . DC and DC currents are perfectly evenly distributed. - An interlacing of the inputs and outputs allows a compact and very efficient filtering on the DC side and on the AC side. There are no circulation currents between the converters. - A common DC bus is not necessary, which ensures a safer design in the event of a ground fault, for example by discharging a bank of high energy capacity. 30 - The battery voltage range is extended. - In case of loss of one of the basic structures, one can continue to ensure the function of electrochemical energy storage in. degraded mode. - Achieving a scalable power structure makes it possible to tackle different projects with a basic structure and reduced costs. BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIGS. 1 and 1A illustrate a first solution of the known art. Figure 2 illustrates a second solution of the known art. Figure 3 illustrates a third solution of the known art. Figure 4 illustrates a basic structure according to the invention. FIG. 5 illustrates a first embodiment of the device of the invention comprising several basic structures in parallel. FIGS. 6, 7A-7E, 8A, 8E, 9 and 9A illustrate a second embodiment of the device of the invention. DETAILED DESCRIPTION OF PARTICULAR EMBODIMENTS In the remainder of the description, elements analogous to one another are represented with the same reference. The device of the invention, illustrated in FIG. 4, is a scalable architecture power converter for managing the power flow of large power between a direct current source (DC) and an AC source (AC). wherein the direct current source or storage unit 11 is managed separately from the AC source, or alternating network, 12 using a base structure 25, in order to allow easy paralleling. This basic structure 25, driven by a control unit 24, comprises a DC-DC or DC-DC converter (DC / DC) 20 and a DC-AC converter (DC / AC) 21 connected by a DC bus. 22. The DC-DC converter 20 is a bidirectional converter (full bridge or half-bridge or multi-level DC-DC connected to the storage assembly 11 by means of a current inductor Continuous 23. The DC-AC converter 21 is connected to the AC network 12 by means of a smoothing inductor 14. This converter may have a half-bridge structure, which is ideally suited to perform a step-down function. As shown in Figure 4, the example of a back-to-back structure for a power range close to the megawatt, but such a structure is not restrictive. For example, an equidirectional shift of s carrying the MLI (Pulse Width Modulation) of each of the DC-DC converters and within the base structure. This FIG. 4 thus illustrates successively: storage assembly 11 constituted by a battery of large capacity in power, a DC filter 17, a base structure comprising a DC inductor 23, a continuous converter, 2-way DC (DC / DC) 20, - a DC / AC converter 21, single-phase or three-phase, - a smoothing inductor 14, - an AC filter 18, - a network transformer 15 single phase or 15 three phase. FIG. 5 illustrates the paralleling of several basic structures 25, 25 'and 25 "according to the invention. The paralleling of several DC / DC converters 20, 20' and 20 '' at The means of inductances 23, 23 'and 23 "(several half-bridges) thus makes it possible to increase the input and output currents without parallelizing components. By providing each elementary DC-DC converter with its own inductance, it is possible to optimally shift the DC-DC converters between them, thereby minimizing the overall volume. inductors, at a ripple rate of the given output current; 30 - almost perfectly balance the currents of the DC-DC converters between them and thus not having to downgrade the capacity of the DC-DC converters, which is necessary with the direct paralleling. In the same way, several AC / DC converters 21, 21 'and 21 "are connected in parallel by means of the smoothing inductors 14, 14' and 14" in single-phase or three-phase. FIG. 5 shows the power evolution principle from the basic structure illustrated in FIG. 4, for a battery of the order of one megawatt. FIG. 6 illustrates a second embodiment based on a back-to-back structure for multi-megawatt batteries in which the paralleling illustrated in FIG. 5 is completed by an interleaving of the DC and output DC inputs. alternating current (AC). The interleaving is done rigorously on the AC side. Interleaving of the DC side (DC) may be less accurate than that of AC current. But precise interleaving is preferable. The control unit 24 sends precisely timed control signals to synchronize the AC (AC) and DC (DC) side converters. FIGS. 7A-7E show an example of DC-side interleaving, and in particular: the current of three DC-DC half-arms, for a first basic structure (FIG. 7A), the current of three half-continuous-DC arms (DC / DC), for a second basic structure (FIG. 7E). - the current of three continuous half-arm-DC (DC / DC), for a third basic structure (Figure 70), - the sum of the battery currents, for three DC-DC converters (Figure 7D) ), 10 - the resulting ripple of the battery current (Figure 7E). For the AC side, it's the same technique. Figure 8A illustrates a superposition of AC currents. Figure 8E illustrates the resultant alternative currents without filtering. Figures 9 and 9A illustrate a solution tested on a 500 kW demonstrator of energy storage with Li-ion batteries and NaS batteries. The architecture used corresponds to the basic structure of the device of the invention comprising a DC-DC converter and a DC-AC converter located between the battery 32 (500 Vdc). and the AC network 33 (500 Vac), three-phase windings 34 and 35 being arranged at the input and at the output, a capacitance being arranged between a DC-DC converter (DC / DC) and a DC-AC converter (DC / AC). ). In Fig. 9A, the curves 36 correspond to the currents of the DC windings 34. The superposition of the currents of these DC windings 34 results in the current 37 with reduced ripple.
Ceci explique le principe d'entrelacement entre les convertisseurs continu-continu (DC/DC) d'une structure de base et par conséquent le principe d'entrelacement entre les structures de base. La référence 38 représente l'ondulation résultante du courant batterie.This explains the principle of interleaving between the DC-DC converters of a basic structure and consequently the principle of interleaving between the basic structures. Reference 38 represents the resulting ripple of the battery current.