FR3056033A1 - Protection d'un reseau hvdc - Google Patents

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FR3056033A1
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Alberto Bertinato
Bertrand Raison
Pascal Tixador
Bruno Luscan
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Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
SuperGrid Institute SAS
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Institut Polytechnique de Grenoble
Universite Grenoble Alpes
SuperGrid Institute SAS
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Abstract

L'invention concerne un procédé de protection d'un réseau comprenant : -des lignes électriques (120,130, 230) ; -trois nœuds d'interconnexion (10, 20, 30) avec: -une interface haute tension avec des interrupteurs commandés ; -une interface réseau local ; -des réseaux locaux pour chaque nœud respectif (10, 20, 30), comprenant : -un convertisseur MMC (16,26, 36) ; -un circuit de protection avec en parallèle, un premier interrupteur commandé (14) et un premier limiteur (15), un deuxième interrupteur commandé (12) et un deuxième limiteur (13). Le procédé comprenant les étapes de : -maintenir lesdits premiers interrupteurs (14) fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs (12) ouverts ; -mesurer tension et courant sur les interfaces haute tension ; -communiquer le sens du courant, à l'autre extrémité d'une ligne haute tension ; -pour chaque nœud: -identifier un défaut; -vérifier que le courant est inférieur au pouvoir de coupure de l'interrupteur d'interface haute tension et ouvrir cet interrupteur.

Description

Titulaire(s) : SUPERGRID INSTITUTE Société par actions simplifiée,INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE Etablissement public, UNIVERSITE GRENOBLE ALPES Etablissement public.
Demande(s) d’extension
Mandataire(s) : INNOVATION COMPETENCE GROUP.
PROTECTION D'UN RESEAU HVDC.
FR 3 056 033 - A1
L'invention concerne un procédé de protection d'un réseau comprenant: -des lignes électriques (120,130, 230);
-trois noeuds d'interconnexion (10, 20, 30) avec:
-une interface haute tension avec des interrupteurs commandés;
-une interface réseau local;
-des réseaux locaux pour chaque noeud respectif (10, 20, 30), comprenant: -un convertisseur MMC (16,26, 36);
-un circuit de protection avec en parallèle, un premier interrupteur commandé (14) et un premier limiteur (15), un deuxième interrupteur commandé (12) et un deuxième limiteur (13).
Le procédé comprenant les étapes de:
-maintenir lesdits premiers interrupteurs (14) fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs (12) ouverts;
-mesurer tension et courant sur les interfaces haute tension;
-communiquer le sens du courant, à l'autre extrémité d'une ligne haute tension;
-pour chaque noeud:
-identifier un défaut;
-vérifier que le courant est inférieur au pouvoir de coupure de l'interrupteur d'interface haute tension et ouvrir cet interrupteur.
Figure FR3056033A1_D0001
Figure FR3056033A1_D0002
PROTECTION D’UN RESEAU HVDC
L’invention concerne les réseaux de transmission et/ou de distribution de courant continu sous tension élevée, généralement désignés sous l'acronyme HVDC. L'invention porte en particulier sur la sélectivité et la continuité de service d’un réseau HVDC lors de l’apparition d’un défaut.
Les réseaux HVDC sont notamment envisagés comme une solution à l'interconnexion de sites de production d'électricité disparates ou non synchrones, apparaissant avec le développement des énergies renouvelables. Les réseaux HVDC sont notamment envisagés pour la transmission et la distribution d'énergie produite par des fermes éoliennes offshore plutôt que des technologies de courant alternatif, du fait de pertes en ligne inférieures et d'absence d'incidence des capacités parasites du réseau sur de longues distances. De tels réseaux ont typiquement des niveaux de tension de l'ordre de 50 kV et plus.
Pour de la transmission d’électricité point à point, un sectionnement peut être réalisé par l’intermédiaire d’un convertisseur en bout de ligne, muni d’un disjoncteur coté alternatif. Par contre, le sectionnement ne peut plus être réalisé par un tel convertisseur dans de la transmission multipoints ou multinoeuds. La coupure du courant continu dans de tels réseaux est un enjeu crucial conditionnant directement la faisabilité et le développement de tels réseaux. En effet, l’apparition d’un court-circuit au niveau d’un nœud se propage très rapidement dans tout le réseau. En l’absence de coupure assez rapide au niveau du nœud, le courant de court-circuit continue à croître et peut atteindre plusieurs dizaines de kA en quelques ms. Le courant de court-circuit peut alors dépasser le pouvoir de coupure des disjoncteurs courant continu des différents nœuds. Le courant de court-circuit pourrait aussi endommager l’électronique de puissance utilisée dans les convertisseurs AC/DC au niveau des nœuds du réseau.
Les stratégies de protection connues pour de tels réseaux sont basées sur l’utilisation de disjoncteurs courant continu ultra rapides. De tels disjoncteurs s’avèrent à la fois extrêmement coûteux et technologiquement compliqués. Par ailleurs, de telles stratégies se basent sur des algorithmes d’identification et des relais ultra rapides, pas encore disponibles sur le marché.
L’invention vise à résoudre un ou plusieurs de ces inconvénients. L’invention vise notamment à optimiser la sélectivité et la continuité de service du réseau haute tension en cas de défaillance, et ceux avec des équipements électriques d’un coût raisonnable. L’invention porte ainsi sur un procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu, le réseau comprenant :
-des lignes électriques haute tension ;
-trois nœuds d’interconnexion comportant chacun :
-une interface réseau commun comportant au moins deux interrupteurs commandés et présentant des pouvoirs de coupure respectifs, l’interface réseau commun étant connectée à d’autres nœuds d’interconnexion par l’intermédiaire de deux lignes haute tension connectées à ses deux interrupteurs commandés respectifs, de sorte que chaque ligne haute tension est connectée entre deux interrupteurs commandés à ses extrémités ;
-une interface réseau local ;
-trois réseaux locaux, connectés à une interface réseau local d’un nœud d’interconnexion respectif, chaque réseau local comprenant :
-un convertisseur MMC ;
-un circuit de protection connecté entre ce convertisseur MMC et l’interface réseau local de son nœud d’interconnexion, le circuit de protection comportant des première et deuxième branches connectées en parallèle, la première branche incluant un premier interrupteur commandé et un premier limiteur de courant de court-circuit, la deuxième branche incluant un deuxième interrupteur commandé et un deuxième limiteur de courant de court-circuit ;
le procédé comprenant les étapes de :
-maintenir initialement lesdits premiers interrupteurs commandés fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs commandés ouverts ;
-mesurer la tension et le courant au niveau de chacun desdits interrupteurs commandés de l’interface réseau commun;
-pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer au moins le sens du courant traversant cet interrupteur commandé ou un ordre d’ouverture de l’interrupteur commandé situé à l’autre extrémité de la ligne haute tension, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
-chaque nœud d’interconnexion connecté à une ligne haute tension en défaut :
-identifie un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du sens du courant communiquée pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut, ou sur la base d’un ordre d’ouverture de son interrupteur commandé, et
-vérifie que le courant traversant son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut est inférieur au pouvoir de coupure de cet interrupteur commandé et commande l’ouverture de cet interrupteur commandé; puis
-pour chacun des convertisseurs MMC, on vérifie que la tension mesurée au niveau d’un interrupteur commandé de son interface réseau commun a dépassé un seuil de vérification, puis on ferme le deuxième interrupteur commandé de son circuit de protection.
Les différentes caractéristiques suivantes peuvent également être combinées aux précédentes, chacune pouvant être combinée aux caractéristiques ci-dessus sans constituer une généralisation intermédiaire.
Selon une variante, lesdits premiers et deuxièmes limiteurs de courant de court-circuit sont du type à supraconducteur, le procédé comprenant en outre l’ouverture desdits premiers interrupteurs commandés après la fermeture desdits deuxièmes interrupteurs commandés.
Selon une autre variante, lesdits interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique protégé présentent chacun un pouvoir de coupure PdC au moins égal à Σι=ι Ck, avec N le nombre de convertisseurs MMC, et Cli le courant de limitation du premier limiteur de courant du circuit de protection du convertisseur MMC d’indice i.
Selon une autre variante, les interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique sont des disjoncteurs mécaniques.
Selon encore une autre variante, ledit seuil de tension de vérification pour chaque convertisseur MMC est au moins égal à 70% de sa tension nominale.
Selon encore une variante, lesdits convertisseurs MMC sont du type à demi-pont.
Selon une variante, le procédé comprend des étapes de :
-pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer sa tension et son courant mesurés, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
-identifier un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du courant et de la tension communiqué pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut.
L’invention porte également sur un réseau électrique haute tension courant continu, comprenant :
-des lignes électriques haute tension ;
-trois nœuds d’interconnexion comportant chacun :
-une interface réseau commun comportant au moins deux interrupteurs commandés et présentant des pouvoirs de coupure respectifs, l’interface réseau commun étant connectée à d’autres nœuds d’interconnexion par l’intermédiaire de deux lignes haute tension connectées à ses deux interrupteurs commandés respectifs, de sorte que chaque ligne haute tension est connectée entre deux interrupteurs commandés à ses extrémités ;
-une interface réseau local ;
-trois réseaux locaux, connectés à une interface réseau local d’un nœud d’interconnexion respectif, chaque réseau local comprenant :
-un convertisseur MMC ;
-un circuit de protection connecté entre ce convertisseur MMC et l’interface réseau local de son nœud d’interconnexion, le circuit de protection comportant des première et deuxième branches connectées en parallèle, la première branche incluant un premier interrupteur commandé et un premier limiteur de courant de court-circuit, la deuxième branche incluant un deuxième interrupteur commandé et un deuxième limiteur de courant de court-circuit ;
-un circuit de commande et de contrôle configuré pour :
-maintenir initialement lesdits premiers interrupteurs commandés fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs commandés ouverts ; -mesurer la tension et le courant au niveau de chacun desdits interrupteurs commandés de l’interface réseau commun;
-pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer au moins le sens du courant traversant cet interrupteur commandé ou communiquer un ordre d’ouverture de l’interrupteur commandé situé à l’autre extrémité de la ligne haute tension, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
-identifier un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du sens du courant communiqués pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut, ou sur la base d’un ordre d’ouverture de son interrupteur commandé, et -vérifier que le courant traversant son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut est inférieur au pouvoir de coupure de cet interrupteur commandé et commander l’ouverture de cet interrupteur commandé; puis -pour chacun des convertisseurs MMC, vérifier que sa tension a dépassé un seuil, fermer le deuxième interrupteur commandé de son circuit de protection.
Selon une variante, lesdits premiers et deuxièmes limiteurs de courant de court-circuit sont du type à supraconducteur, ledit circuit de commande et de contrôle étant configuré pour ouvrir lesdits premiers interrupteurs commandés après la fermeture desdits deuxièmes interrupteurs commandés.
Selon encore une variante, lesdits interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique protégé présentent chacun un pouvoir de coupure PdC au moins égal à Σι=ι Cli; avec N le nombre de convertisseurs MMC, et Cli le courant de limitation du premier limiteur de courant du circuit de protection du convertisseur MMC d’indice i.
Selon une autre variante, les interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique sont des disjoncteurs mécaniques.
Selon encore une autre variante, ledit seuil de tension de vérification de chaque convertisseur MMC est au moins égal à 70% de sa tension nominale.
Selon une variante, lesdits convertisseurs MMC sont du type à demi-pont.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront clairement de la description qui en est faite ci-après, à titre indicatif et nullement limitatif, en référence aux dessins annexés, dans lesquels :
-la figure 1 est un exemple simplifié d’un réseau haute tension courant continu pour la mise en oeuvre de l’invention ;
-la figure 2 est un diagramme de simulation des courants traversant différents convertisseurs lors d’une défaillance ;
-la figure 3 est un diagramme de simulation des tensions en entrée de différents convertisseurs lors d’une défaillance ;
-la figure 4 est un diagramme de simulation des tensions sur des noeuds d’interconnexion lors d’une défaillance ;
-la figure 5 est un diagramme de simulation des courants traversant des interrupteurs aux extrémités d’une ligne en court-circuit.
La figure 1 est une représentation schématique simplifiée d'un exemple de réseau haute tension courant continu 1 comportant des noeuds d’interconnexion 10, 20 et 30. Le réseau 1 simplifié illustré ici comporte des lignes hautes tension 120, 130 et 230. Le réseau 1 est ici illustré de façon simplifiée dans une configuration unipolaire. La ligne 120 est destinée à raccorder les noeuds d’interconnexion 10 et 20, la ligne 130 est destinée à raccorder les nœuds d’interconnexion 10 et 30, et la ligne 230 est destinée à raccorder les nœuds d’interconnexion 20 et 30. Chaque nœud d’interconnexion comporte une interface de connexion à des lignes hautes tension, et une interface de connexion à un réseau local. Des convertisseurs 16, 26 et 36 de type modulaire multi niveau ou MMC (pour Modular Multi-Level Converter en langue anglaise) sont connectés à l’interface de connexion de réseau local respective des nœuds d’interconnexion 10, 20 et 30. Les convertisseurs 16, 26 et 36 sont de type à demi-ponts. Les convertisseurs 16, 26 et 36 sont associés à des réseaux ou équipements locaux alternatifs (par exemple des générateurs électriques comme des champs d'éoliennes, des usines marémotrices, des centrales électronucléaires, des centrales électriques thermiques ou encore des générateurs photovoltaïques, ou des réseaux locaux de transport ou de consommation). Les convertisseurs 16,26 et 36 contrôlent de façon connue en soi le flux de puissance entre leur interface alternatif et leur interface continue.
Le convertisseur MMC 16 est connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 10 par l’intermédiaire d’un circuit de protection. Ce circuit de protection comprend un interrupteur 11, connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 10. Le circuit de protection comprend par ailleurs un circuit dédoublé connecté en série avec l’interrupteur 11, entre une entrée continue du convertisseur 16 et l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 10. Le circuit dédoublé comprend des premières et deuxièmes branches connectées en parallèle. La première branche comprend un interrupteur 12 connecté en série avec un limiteur de courant 13. La deuxième branche comprend un interrupteur 14 connecté en série avec un limiteur de courant 15.
L’interrupteur 11 est ici un disjoncteur de type mécanique. L’interrupteur 11 est notamment sélectionné pour fournir un pouvoir de coupure entre le nœud d’interconnexion 10 et le convertisseur 16. Le limiteur de courant 13 et le limiteur de courant 15 sont ici du type limiteur de courant de court-circuit à supraconducteur ou SCFCL. Les interrupteurs 12 et 14 sont ici des sectionneurs commandés à commutation rapide. La ligne haute tension 120 est connectée au nœud d’interconnexion 10 par l’intermédiaire d’un interrupteur 112. L’interrupteur 112 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 112 entre la ligne haute tension 120 et le nœud d’interconnexion 10. La ligne haute tension 130 est connectée au nœud d’interconnexion 10 par l’intermédiaire d’un interrupteur 113. L’interrupteur 113 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 113 entre la ligne haute tension 130 et le nœud d’interconnexion 10.
Le convertisseur MMC 26 est connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 20 par l’intermédiaire d’un circuit de protection. Ce circuit de protection comprend un interrupteur 21, connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 20. Le circuit de protection comprend par ailleurs un circuit dédoublé connecté en série avec l’interrupteur 21, entre une entrée continue du convertisseur 26 et l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 20. Le circuit dédoublé comprend des premières et deuxièmes branches connectées en parallèle. La première branche comprend un interrupteur 22 connecté en série avec un limiteur de courant 23. La deuxième branche comprend un interrupteur 24 connecté en série avec un limiteur de courant 25.
L’interrupteur 21 est ici un disjoncteur de type mécanique. L’interrupteur 21 est notamment sélectionné pour fournir un pouvoir de coupure entre le nœud d’interconnexion 20 et le convertisseur 26. Le limiteur de courant 23 et le limiteur de courant 25 sont ici du type limiteur de courant de court-circuit à supraconducteur ou SCFCL. Les interrupteurs 22 et 24 sont ici des sectionneurs commandés à commutation rapide. La ligne haute tension 120 est connectée au nœud d’interconnexion 20 par l’intermédiaire d’un interrupteur 212. L’interrupteur 212 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 212 entre la ligne haute tension 120 et le nœud d’interconnexion 20. La ligne haute tension 230 est connectée au nœud d’interconnexion 20 par l’intermédiaire d’un interrupteur 223. L’interrupteur 223 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 223 entre la ligne haute tension 230 et le nœud d’interconnexion 20.
Le convertisseur MMC 36 est connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 30 par l’intermédiaire d’un circuit de protection. Ce circuit de protection comprend un interrupteur 31, connecté à l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 30. Le circuit de protection comprend par ailleurs un circuit dédoublé connecté en série avec l’interrupteur 31, entre une entrée continue du convertisseur 36 et l’interface réseau local du nœud d’interconnexion 30. Le circuit dédoublé comprend des premières et deuxièmes branches connectées en parallèle. La première branche comprend un interrupteur 32 connecté en série avec un limiteur de courant 33. La deuxième branche comprend un interrupteur 34 connecté en série avec un limiteur de courant 35.
L’interrupteur 31 est ici un disjoncteur de type mécanique. L’interrupteur 31 est notamment sélectionné pour fournir un pouvoir de coupure entre le nœud d’interconnexion 30 et le convertisseur 36. Le limiteur de courant 33 et le limiteur de courant 35 sont ici du type limiteur de courant de court-circuit à supraconducteur ou SCFCL. Les interrupteurs 32 et 34 sont ici des sectionneurs commandés à commutation rapide. La ligne haute tension de 130 est connectée au nœud d’interconnexion 30 par l’intermédiaire d’un interrupteur 323. L’interrupteur 323 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 323 entre la ligne haute tension 230 et le nœud d’interconnexion 30. La ligne haute tension 130 est connectée au nœud d’interconnexion 30 par l’intermédiaire d’un interrupteur 313. L’interrupteur 313 est ici un disjoncteur de type mécanique. Bien que non illustré, un sectionneur commandé à commutation rapide peut être connecté en série avec l’interrupteur 313 entre la ligne haute tension 130 et le nœud d’interconnexion 30.
Avec des limiteurs de courant 13, 15, 23, 25, 33 et 35 du type à supraconducteur, ceux-ci ont une différence de potentiel nulle entre leurs bornes quand ils sont en état supraconducteur, ce qui permet donc de limiter les pertes induites dans chaque branche, en fonctionnement normal du réseau 1.
Les interrupteurs commandés 11, 112, 113,21,212, 223, 31,313 et 323 sont avantageusement des disjoncteurs mécaniques, notamment du fait des faibles pertes en ligne qu’ils sont capables de générer.
Les limiteurs de courant 15, 25 et 35 sont dimensionnés pour maintenir le courant de court-circuit les traversant à un niveau inférieur au pouvoir de coupure des interrupteurs 112 et 113, 212 et 223, 313 et 323 respectivement. Les limiteurs de courant 15, 25 et 35 garantissent ainsi l’ouverture effective des interrupteurs 112 et 113, 212 et 223, 313 et 323 respectivement, en cas d’apparition d’un courtcircuit.
De façon similaire, les limiteurs de courant 13, 23 et 33 sont dimensionnés pour maintenir le courant le traversant à un niveau inférieur au pouvoir de coupure des interrupteurs 112 et 113, 212 et 223, 313 et 323 respectivement. Les limiteurs de courant 13, 23 et 33 garantissent ainsi l’ouverture effective des interrupteurs 112 et 113, 212 et 223, 313 et 323respectivement, en cas d’apparition d’un courtcircuit.
Des réseaux de communication sont par ailleurs créés entre différents équipements.
Un réseau de communication (illustré en tiret-point) est créé au niveau du nœud d’interconnexion 10 entre les interrupteurs 11,112 et 113. Un réseau de communication (illustré en tiret-point) est créé au niveau du nœud d’interconnexion 20 entre les interrupteurs 21,212 et 223. Un réseau de communication (illustré en tiret-point) est créé au niveau d’une d’interconnexion 30 entre les interrupteurs 31,313 et 323.
Un réseau de communication (illustré en trait discontinu) est créé entre le nœud d’interconnexion 10, l’interrupteur 11, l’interrupteur 12, l’interrupteur 14, les limiteurs 13 et 15, et le convertisseur 16. Un réseau de communication (illustré en trait discontinu) est créé entre le nœud d’interconnexion 20, l’interrupteur 21, l’interrupteur 22, l’interrupteur 24, les limiteurs 23 et 25, et le convertisseur 26. Un réseau de communication (illustré en trait discontinu) est créé entre le nœud d’interconnexion 30, l’interrupteur 31, l’interrupteur 32, l’interrupteur 34, les limiteurs 33 et 35, et le convertisseur 36.
Un réseau de communication est créé entre les interrupteurs 112 et 212. Un réseau de communication est créé entre les interrupteurs 223 et 323. Un réseau de communication est créé entre les interrupteurs 113 et 313.
Dans une configuration initiale exempte de défauts :
-un circuit de contrôle local 19 maintient les interrupteurs 11, 14, 112 et 113 fermés, et maintient l’interrupteur 12 ouvert ;
-un circuit de contrôle local 29 maintient les interrupteurs 21, 24, 212 et 223 fermés, et maintient l’interrupteur 22 ouvert ;
-un circuit de contrôle local 39 maintient les interrupteurs 31, 34, 313 et 323 fermés, et maintient l’interrupteur 32 ouvert.
Le fonctionnement de la protection du réseau 1 va maintenant être détaillé dans un cas de figure où un court-circuit à la terre intervient sur la ligne 230 (ou un court-circuit entre âme et écran de câble par exemple), à proximité de l’interrupteur 323. Le courant de court-circuit se propage dans tout le réseau. La protection va viser à mettre en œuvre les étapes suivantes :
- identifier la ligne haute tension en défaut ;
- isoler le défaut ;
- rétablir le niveau de tension sur le réseau ;
- rétablir le flux de puissance.
L’identification de la ligne en défaut peut être réalisée comme suit :
-un défaut est détecté de façon non synchronisée au niveau de chaque nœud d’interconnexion 10, 20 et 30. La détection du défaut est réalisée de façon connue en soi au niveau de chaque nœud d’interconnexion par des mesures de tension et de courant locales ;
-chaque convertisseur 16, 26, 36 active sa protection interne. Comme un convertisseur MMC n’est pas conçu pour résister à des courants de court-circuit élevés (un convertisseur MMC est généralement dimensionné pour un courant maximal de 4 kA), la protection interne de chaque convertisseur MMC 16, 26 et 36 est activée dès que le courant le traversant dépasse un seuil. Chaque convertisseur MMC 16, 26 ou 36 activé n’assure alors plus de contrôle en tension et en puissance ;
-pour chaque convertisseur MMC 16, 26 ou 36 (avec protection interne) activé, le limiteur de courant respectif 15, 25 ou 35 est alors traversé par un courant de défaut. Ce limiteur de courant est alors activé. Plus un convertisseur MMC est proche du lieu du court-circuit, plus le courant le traversant augmentera rapidement. Les limiteurs de courant respectifs 15, 25 et 35 seront ainsi activés de façon non synchronisée, comme cela ressort du diagramme de la figure 2. L’instant t=0 correspond à l’apparition du court-circuit de défaut. Le courant de court-circuit fourni par chaque convertisseur MMC chute ici sous les 2 kA, une fois le limiteur de courant correspondant activé. Du fait de la limitation de courant, pour chaque convertisseur MMC 16,26 ou 36, on dispose d’un certain temps en vue d’identifier la ligne haute tension en défaut ;
-des mesures de tension et courant au niveau de ces interrupteurs 223 et 323 et l’utilisation du réseau de communication entre les interrupteurs 223 et 323 permet d’identifier un court-circuit sur la ligne 230, et d’identifier sa proximité avec l’interrupteur 323. Cette identification peut être réalisée de façon connue en soi du document “Protection System for meshed HVDC network using superconducting fault current limiters” publié notamment par Justine DESCLOUX et Camille GANDIOLI, dans un délai inférieur à 10 ms. La figure 5 est un diagramme des courants à travers les interrupteurs 223 (en pointillés) et 323 (en trait continu) lors de l’apparition du court-circuit. On peut constater que ces courants ont des amplitudes relatives permettant d’identifier à la fois un courtcircuit sur la ligne 230, et la proximité de ce court-circuit de l’interrupteur 323 par exemple, un circuit de contrôle du nœud 30 reçoit les mesures provenant de l’interrupteur 223 et de l’interrupteur 323 (au moins le sens du courant traversant ces interrupteurs, avantageusement la tension et le courant mesurés au niveau de ces interrupteurs), pour en déduire que la ligne 230 est en défaut et que ce défaut est proche de l’interrupteur 323. Alternativement, un algorithme de détection locale d’un défaut de la ligne haute tension peut être utilisé, pour qu’un nœud connecté à cette ligne haute tension fournisse une commande d’ouverture de l’interrupteur commandé de l’autre nœud connecté à cette ligne haute tension.
Indépendamment, un circuit de contrôle du nœud d’interconnexion 20 reçoit les mesures provenant de l’interrupteur 223 et de l’interrupteur 323, ou l’ordre d’ouverture de l’interrupteur 223, pour en déduire que la ligne 230 est en défaut et que ce défaut est proche de l’interrupteur 323 ;
Ces étapes d’identification de la ligne en défaut sont réalisées dans les 10 ms qui suivent l’apparition du court-circuit de la ligne 230, du fait d’une chaîne de communication simple et d’une capacité d’identification basée sur un nombre réduit de mesures.
Du fait de la présence des limiteurs de courant 15, 25 et 35 interposés entre les convertisseurs 16, 26 et 36 et les lignes hautes tension 120, 130 et 230, une limitation de courant est obtenue pendant un temps au moins égal à 10 ms pour permettre de mettre en œuvre les étapes d’identification de la ligne en défaut mentionnées ci-dessus.
Peu après l’apparition du court-circuit, les tensions respectives sur les interfaces réseau local des nœuds d’interconnexion 10 (en trait continu), 20 (en pointillés) et 30 (en trait discontinu) chutent rapidement pour devenir proches de zéro après 10 ms, comme illustré à la figure 4.
Après l’étape d’identification de la ligne haute tension en défaut, l’étape d’isolation du défaut peut être réalisée comme suit :
-une vérification des pouvoirs de coupure des interrupteurs 112,113,212, 223, 313 et 323. Dans l’exemple illustré, le défaut peut commencer à être isolé à partir de t=12 ms après l’apparition du défaut, si les interrupteurs (ou disjoncteurs mécaniques) 112, 113,212, 223, 313 et 323 ont un pouvoir de coupure de 8 kA. Alternativement, on peut également mesurer le courant traversant chaque interrupteur 112, 113, 212, 223, 313 et 323 et déterminer à partir de quand ce courant mesuré pour un interrupteur est inférieur à son pouvoir de coupure. Le pouvoir de coupure des interrupteurs des lignes hautes tension du réseau 1 est dimensionné de façon connue en soi en fonction de la taille du réseau 1 et du nombre de stations qui lui sont connectées. En connaissant le nombre de convertisseurs MMC connectés au réseau, on peut déterminer le courant de défaut maximum possible en cas de défaillance, puisqu’il est au maximum égal à la somme des courants de limitation des limiteurs de courant connectés dans une branche en série avec un interrupteur fermé. Par exemple, si les limiteurs de courant 13, 23, 33, 15, 25 et 35 présentent chacun un courant de limitation égal à 2 fois le courant nominal In d’un limiteur de courant, avec un nombre N de convertisseurs MMC, le courant de défaut maximum Idm est défini par ldm=N*2*ln. De façon plus générale, chacun des interrupteurs 112, 113, 212, 223, 313 et 323 présentera un pouvoir de coupure PdC au moins égal à Σι=ι Cli; avec Cli le courant de limitation d’un limiteur de courant du circuit de protection du convertisseur MMC d’indice i.
-on procède à l’élimination du courant de défaut en commandant l’ouverture des interrupteurs 223 et 323. Entre l’envoi des commandes d’ouverture des interrupteurs 223 et 323 et leur ouverture effective (tenant par exemple compte des retards électromécaniques associés à l’interruption du courant de défaut), un retard de 17 ms est ici observé. L’ouverture des interrupteurs 223 et 323 intervient donc ici à t = 29 ms ;
-on procède à la remontée de la tension sur le réseau 1. À ce stade, la protection interne des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 est activée. Pour des convertisseurs MMC utilisant des redresseurs triphasés, ces convertisseurs MMC ne peuvent reprendre leur contrôle en tension et en puissance que si la tension sur leur entrée continue dépasse environ 0,7 fois la tension nominale. Les courants à travers les limiteurs de courant 15, 25 et 35 baissent progressivement. À t= 37 ms, les tensions respectives sur les interfaces réseau local des nœuds d’interconnexion 10, 20 et 30 atteignent 0,7 fois la tension nominale ;
-les convertisseurs MMC 16, 26 et 36 sont informés respectivement par les nœuds d’interconnexion 10, 20 et 30 que les tensions respectives sur leurs interfaces réseau local atteignent 0,7 fois la tension nominale. Les convertisseurs MMC 16, 26 et 36 reprennent alors leur contrôle en tension, de façon à remonter la tension sur les lignes hautes tension 120 et 130 à la valeur nominale. La tension de sortie des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 remonte également progressivement au niveau nominal.
Les limiteurs de courant 15, 25 et 35 sont alors encore activés à l’état résistif et traversés par des courants nominaux. Ces limiteurs de courant 15, 25 et 35 ne peuvent revenir à l’état supraconducteur sans interrompre leur conduction. Par mesure du courant de chaque convertisseur MMC 16, 26 et 36, et par mesure de la tension sur l’interface réseau local des nœuds d’interconnexion 10,20 et 30, on peut déterminer au niveau de chaque circuit de protection que le défaut par court-circuit a été isolé. Dès lors, les interrupteurs 12, 22 et 32 sont fermés. Les courants des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 traversent alors respectivement les limiteurs de courant 13, 23 et 33 qui sont à l’état supraconducteur. Les courants des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 ne traversent alors plus les limiteurs de courant 15, 25 et 35.
Lors de la fermeture effective des interrupteurs 12, 22 et 32 la tension de sortie des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 est égale à la tension sur l’interface réseau local respective des nœuds d’interconnexion 10, 20 et 30. Le contrôle en puissance des convertisseurs MMC 16, 26 et 36 peut alors être repris. Le flux de puissance à travers les lignes hautes tension 120 et 130 peut alors également être repris.
Après une temporisation de sécurité, les interrupteurs 14, 24 et 34 peuvent être ouverts, de sorte que les limiteurs de courant 15, 25 et 35 peuvent 5 progressivement revenir à leur état supraconducteur, pour une utilisation ultérieure.
On constate que le réseau 1 est redevenu fonctionnel avec isolation du défaut après une durée de 50 ms.
L’utilisation d’interrupteurs rapides en série dans une branche avec chacun 10 des limiteurs de courant permet notamment de rétablir un courant nominal pour les convertisseurs MMC 16,26 et 36 en un temps réduit.
Avantageusement, les limiteurs de courant 13 et 15, 23 et 25, ou 33 et 35 peuvent utiliser une même cuve de refroidissement, en vue de limiter leur prix de revient.

Claims (13)

  1. REVENDICATIONS
    1. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu (1), le réseau comprenant :
    -des lignes électriques haute tension (120,130, 230) ;
    -trois nœuds d’interconnexion (10, 20, 30) comportant chacun :
    -une interface réseau commun comportant au moins deux interrupteurs commandés et présentant des pouvoirs de coupure respectifs, l’interface réseau commun étant connectée à d’autres nœuds d’interconnexion par l’intermédiaire de deux lignes haute tension connectées à ses deux interrupteurs commandés respectifs, de sorte que chaque ligne haute tension est connectée entre deux interrupteurs commandés à ses extrémités ;
    -une interface réseau local ;
    -trois réseaux locaux, connectés à une interface réseau local d’un nœud d’interconnexion respectif (10, 20, 30), chaque réseau local comprenant :
    -un convertisseur MMC (16,26, 36) ;
    -un circuit de protection connecté entre ce convertisseur MMC et l’interface réseau local de son nœud d’interconnexion, le circuit de protection comportant des première et deuxième branches connectées en parallèle, la première branche incluant un premier interrupteur commandé (14) et un premier limiteur de courant de court-circuit (15), la deuxième branche incluant un deuxième interrupteur commandé (12) et un deuxième limiteur de courant de court-circuit (13) ;
    le procédé comprenant les étapes de :
    -maintenir initialement lesdits premiers interrupteurs commandés (14) fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs commandés (12) ouverts ; -mesurer la tension et le courant au niveau de chacun desdits interrupteurs commandés de l’interface réseau commun;
    -pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer au moins le sens du courant traversant cet interrupteur commandé ou un ordre d’ouverture de l’interrupteur commandé situé à l’autre extrémité de la ligne haute tension, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
    -chaque nœud d’interconnexion connecté à une ligne haute tension en défaut :
    -identifie un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du sens du courant communiqué pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut, ou sur la base d’un ordre d’ouverture de son interrupteur commandé, et -vérifie que le courant traversant son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut est inférieur au pouvoir de coupure de cet interrupteur commandé et commande l’ouverture de cet interrupteur commandé; puis
    -pour chacun des convertisseurs MMC (16, 26, 36), on vérifie que la tension mesurée au niveau d’un interrupteur commandé de son interface réseau commun a dépassé un seuil de vérification, puis on ferme le deuxième interrupteur commandé de son circuit de protection.
  2. 2. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu (1 ) selon la revendication 1, dans lequel lesdits premiers et deuxièmes limiteurs de courant de court-circuit (13, 15, 23, 25, 33, 35) sont du type à supraconducteur, le procédé comprenant en outre l’ouverture desdits premiers interrupteurs commandés (14, 24, 34) après la fermeture desdits deuxièmes interrupteurs commandés (12, 22, 32).
  3. 3. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu selon la revendication 1 ou 2, dans lequel lesdits interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique protégé présentent chacun un pouvoir de coupure PdC au moins égal à %i=iCli, avec N le nombre de convertisseurs MMC, et Cli le courant de limitation du premier limiteur de courant du circuit de protection du convertisseur MMC d’indice i.
  4. 4. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu (1 ) selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique sont des disjoncteurs mécaniques.
  5. 5. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel ledit seuil de tension de vérification pour chaque convertisseur MMC est au moins égal à 70% de sa tension nominale.
  6. 6. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu selon l’une quelconque des revendications précédentes, dans lequel lesdits convertisseurs MMC sont du type à demi-pont.
  7. 7. Procédé de protection d’un réseau électrique haute tension courant continu selon l’une quelconque des revendications précédentes, comprenant des étapes de :
    -pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer sa tension et son courant mesurés, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
    -identifier un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du courant et de la tension communiqués pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut.
  8. 8. Réseau électrique haute tension courant continu (1), caractérisé en ce qu’il comprend :
    -des lignes électriques haute tension (120, 130, 230) ;
    -trois nœuds d’interconnexion (10, 20, 30) comportant chacun :
    -une interface réseau commun comportant au moins deux interrupteurs commandés et présentant des pouvoirs de coupure respectifs, l’interface réseau commun étant connectée à d’autres nœuds d’interconnexion par l’intermédiaire de deux lignes haute tension connectées à ses deux interrupteurs commandés respectifs, de sorte que chaque ligne haute tension est connectée entre deux interrupteurs commandés à ses extrémités ;
    -une interface réseau local ;
    -trois réseaux locaux, connectés à une interface réseau local d’un nœud d’interconnexion respectif (10, 20, 30), chaque réseau local comprenant :
    -un convertisseur MMC (16,26, 36) ;
    -un circuit de protection connecté entre ce convertisseur MMC et l’interface réseau local de son nœud d’interconnexion, le circuit de protection comportant des première et deuxième branches connectées en parallèle, la première branche incluant un premier interrupteur commandé (14) et un premier limiteur de courant de court-circuit (15), la deuxième branche incluant un deuxième interrupteur commandé (12) et un deuxième limiteur de courant de court-circuit (13) ;
    -un circuit de commande et de contrôle configuré pour :
    -maintenir initialement lesdits premiers interrupteurs commandés fermés et lesdits deuxièmes interrupteurs commandés ouverts ; -mesurer la tension et le courant au niveau de chacun desdits interrupteurs commandés de l’interface réseau commun;
    -pour chacun desdits interrupteurs commandés connectés à une extrémité d’une ligne haute tension, communiquer au moins le sens du courant traversant cet interrupteur commandé ou un ordre d’ouverture de l’interrupteur commandé situé à l’autre extrémité de la ligne haute tension, au nœud d’interconnexion comportant l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension ;
    -identifier un défaut de cette ligne haute tension sur la base du courant et de la tension mesurés pour son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut et sur la base du sens du courant communiqué pour l’interrupteur commandé connecté à l’autre extrémité de cette ligne haute tension en défaut, ou sur la base d’un ordre d’ouverture de son interrupteur commandé, et -vérifier que le courant traversant son interrupteur commandé connecté à cette ligne haute tension en défaut est inférieur au pouvoir de coupure de cet interrupteur commandé et commander l’ouverture de cet interrupteur commandé; puis
    -pour chacun des convertisseurs MMC (16, 26, 36), vérifier que sa tension a dépassé un seuil, fermer le deuxième interrupteur commandé de son circuit de protection.
  9. 9. Réseau électrique haute tension courant continu (1) selon la revendication 8, dans lequel lesdits premiers et deuxièmes limiteurs de courant de court-circuit (13, 15, 23, 25, 33, 35) sont du type à supraconducteur, ledit circuit de commande et de contrôle étant configuré pour ouvrir lesdits premiers interrupteurs commandés (14, 24, 34) après la fermeture desdits deuxièmes interrupteurs commandés (12, 22, 32).
  10. 10. Réseau électrique haute tension courant continu (1) selon la revendication 8 ou 9, dans lequel lesdits interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique protégé présentent chacun un pouvoir de coupure PdC au moins égal à avec N le nombre de convertisseurs
    MMC, et Cli le courant de limitation du premier limiteur de courant du circuit de protection du convertisseur MMC d’indice i.
  11. 11. Réseau électrique haute tension courant continu (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 10, dans lequel les interrupteurs commandés des interfaces réseau commun du réseau électrique sont des disjoncteurs mécaniques.
  12. 12. Réseau électrique haute tension courant continu (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 11, dans lequel ledit seuil de tension de vérification de chaque convertisseur MMC est au moins égal à 70% de sa tension nominale.
  13. 13. Réseau électrique haute tension courant continu (1) selon l’une quelconque des revendications 8 à 12, dans lequel lesdits convertisseurs MMC sont du type à demi-pont.
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