FR3096848A1 - Convertisseur de tension AC/DC comprenant un transformateur - Google Patents

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Pierre-Baptiste STECKLER
Piotr Dworakowski
Jean-Yves GAUTHIER
Xuefang LIN-SHI
François WALLART
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Ecole Centrale de Lyon
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
SuperGrid Institute SAS
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Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Universite Claude Bernard Lyon 1 UCBL
Ecole Centrale de Lyon
Institut National des Sciences Appliquees de Lyon
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Abstract

Convertisseur de tension AC/DC comprenant un transformateur Convertisseur de tension comprenant un bras (20) comportant une pluralité de chaines (21,22,23) de sous-modules connectées en série dans le bras, chacune desdites chaines de sous-modules présentant un point supérieur (21a,22a,23a) et un point inférieur (21b,22b,23b) entre laquelle elle s’étend et comprenant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande et au moins un dispositif de stockage d’énergie connectable, et un transformateur comportant une pluralité d’enroulements primaires et secondaires, chacune des chaines de sous-modules étant connectée en parallèle avec au moins un condensateur (34,36,38) et un des enroulements secondaires du transformateur, au moins un des condensateurs étant connecté électriquement à un des points supérieurs ou inférieurs d’une des chaines de sous-modules par une connexion électrique passive. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Convertisseur de tension AC/DC comprenant un transformateur
La présente invention concerne le domaine technique des convertisseurs de tension alternative en tension continue et inversement, également appelés convertisseurs de tension AC/DC. Ce type de convertisseurs est particulièrement adapté pour être implanté dans des installations d’alimentation électrique en courant continu haute tension (HVCD pour « High Voltage Direct Current » en langue anglaise).
Les installations d’alimentation électrique HVDC comprennent généralement un réseau d’alimentation électrique continu permettant le transport d’électricité sur de longues distances au moyen de lignes à courant continu de plusieurs centaines de kilomètres. Elles comprennent également un réseau d’alimentation électrique alternatif, par exemple relié à un parc éolien offshore. Les convertisseurs de tension AC/DC permettent la connexion d’un tel réseau d’alimentation électrique alternatif avec un réseau d’alimentation électrique continu.
Les convertisseurs de tension les plus couramment utilisés dans les installations d’alimentation électrique HVDC sont les convertisseurs modulaires multi-niveaux (MMC pour « Modular Multilevel Converter » en langue anglaise). Ces convertisseurs MMC offrent un excellent rendement, sont facilement commandables et leurs propriétés ne se dégradent pas lorsqu’ils sont soumis à de très hautes tensions. Un inconvénient de ces convertisseurs est qu’ils comprennent de très nombreux composants.
On connait des convertisseurs de tension AC/DC ayant un nombre de composants réduit, tels que le convertisseur décrit dans EP 3 352 354. Ce convertisseur comprend un bras s’étendant entre des premier et second terminaux continus dans lequel sont connectées en série une pluralité de chaines de sous-modules verticaux, chacune des chaines de sous-modules verticaux s’étendant entre un point supérieur et un point inférieur. Ce convertisseur comprend en outre un transformateur comportant une pluralité d’enroulements secondaires, chacune des chaines de sous-modules verticaux étant connectée en parallèle avec un des enroulements secondaires du transformateur et avec une pluralité de sous-modules horizontaux. Lesdits sous-modules horizontaux et ledit enroulement secondaire sont connectés en série les uns par rapports aux autres dans une branche.
Chacune des branches de ce convertisseur comprend plusieurs dizaines de sous-modules horizontaux. Or, chaque sous-module horizontal comprend une pluralité d’éléments de commande connectés en parallèle avec un dispositif de stockage d’énergie. Les éléments de commande comprennent chacun un transistor de type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor en langue anglaise) connecté en parallèle avec une diode antiparallèle.
Un inconvénient de ce convertisseur est que le nombre de composants reste très important. Aussi, ce convertisseur est très lourd, volumineux et encombrant. En outre, sa fabrication est particulièrement difficile et couteuse.
De plus, d’importantes ressources doivent être utilisées afin de contrôler l’ensemble des éléments de commande de ce convertisseur. Le contrôle du convertisseur est donc particulièrement coûteux et complexe.
Un but de la présente invention est de proposer un convertisseur de tension remédiant aux problèmes précités.
Pour ce faire, l’invention porte sur un convertisseur de tension permettant de convertir une tension alternative en une tension continue et inversement, le convertisseur comprenant :
- des premier et second terminaux continus configurés pour être reliés électriquement à un réseau d’alimentation électrique continu ;
- une pluralité de terminaux alternatifs configurés pour être reliés électriquement à un réseau d’alimentation électrique alternatif ;
- un bras s’étendant entre les premier et second terminaux continus et comportant une pluralité de chaines de sous-modules connectées en série dans le bras, chacune desdites chaines de sous-modules présentant un point supérieur et un point inférieur entre laquelle elle s’étend, chacune des chaines de sous-modules comprenant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module comprenant au moins un dispositif de stockage d’énergie connectable en série dans le bras lorsque l’organe de commande du sous-module est dans un état commandé ; et
- un transformateur comportant une pluralité d’enroulements primaires ayant chacun au moins une borne connectée respectivement à l’un des terminaux alternatifs du convertisseur et une pluralité d’enroulements secondaires,
chacune des chaines de sous-modules étant connectée en parallèle avec au moins un condensateur et un des enroulements secondaires du transformateur, ledit condensateur et ledit enroulement secondaire étant connectés en série l’un par rapport à l’autre, au moins un des condensateurs étant connecté électriquement à un des points supérieurs ou inférieurs d’une des chaines de sous-modules par une connexion électrique passive.
Le convertisseur de tension selon l’invention peut être aisément connecté dans une installation électrique HVDC, entre un réseau d’alimentation électrique alternatif et un réseau d’alimentation électrique continu.
Sans sortir du cadre de l’invention, plusieurs convertisseurs selon l’invention peuvent être connectés en cascade dans une installation HVDC. Par exemple, un premier et un second convertisseurs selon l’invention peuvent être connectés entre eux en connectant deux à deux leurs terminaux alternatifs respectifs.
Le convertisseur comprend avantageusement autant de terminaux alternatifs que de phases du réseau d’alimentation électrique alternatif.
A chacun des terminaux alternatifs sont associés une chaine de sous-modules, un enroulement primaire et un enroulement secondaire du transformateur, de sorte que le convertisseur comprend un nombre égal de terminaux alternatifs, de chaines de sous-modules, d’enroulements primaires et d’enroulements secondaires.
Les enroulements primaires du transformateur présentent avantageusement une première borne reliée à un des terminaux alternatifs et une seconde borne reliée à un autre terminal alternatif. Sans sortir du cadre de l’invention, le transformateur peut être formé d’un unique transformateur ayant plusieurs phases ou d’une pluralité de transformateurs monophasés ayant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire.
Les sous-modules des chaines de sous-modules sont connectés en série les uns par rapport aux autres.
De manière non limitative, les organes de commandes des sous-modules peuvent comprendre des éléments de commutation commandables de type interrupteur IGBT et une diode antiparallèle. De manière non limitative, les organes de commandes peuvent être placés dans l’état commandé en réponse à un ordre de commande, provenant par exemple d’un module de commande, ou encore en fonction du signe du courant circulant dans le bras. Le dispositif de stockage d’énergie des sous-modules peut comprendre un condensateur.
Les sous-modules peuvent être commandés selon une séquence choisie pour faire varier progressivement le nombre d’éléments de stockage d’énergie qui sont connectés en série dans le bras du convertisseur de tension, de façon à fournir plusieurs niveaux de tension.
Par connexion électrique passive on entend une connexion sans composants actifs (diode, transistor, circuit intégré, interrupteur). Cela signifie notamment qu’elle n’est pas commandable, par exemple pour passer d’un état conducteur à un état non-conducteur (ce qui est le cas quand un interrupteur est placé dans une connexion électrique, qui est alors active). Le condensateur est donc connecté électriquement au point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules associée de manière permanente. Aucun moyen de commande ne permet d’interrompre la connexion électrique entre le condensateur et ledit point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules.
Par exemple, la connexion électrique passive peut consister en des connecteurs électriques et un câble ou un fil électrique, une barre conductrice, une piste métallique imprimée sur un support, une traversée.
De préférence, le courant traversant le condensateur est sensiblement identique au courant au niveau du point supérieur, respectivement du point inférieur, de la chaine de sous-modules.
Aussi, au moins une des branches en parallèle d’une des chaines de sous-modules du convertisseur ne comporte pas de sous-module commandable.
Le condensateur peut être connecté par une connexion électrique passive au point supérieur ou au point inférieur de la chaine de sous-modules associée. De manière non limitative, un autre condensateur peut être connecté dans la branche, de sorte qu’un premier condensateur est connecté par une connexion électrique passive au point supérieur de la chaine de sous-modules associée tandis qu’un second condensateur est connecté par une connexion électrique passive au point inférieur de ladite chaine de sous-modules.
Chacune des chaines de sous-modules permet de générer une tension contrôlable insérée dans le bras entre ses points supérieur et inférieur. Ladite tension insérée présente une composante continue et une composante alternative. La composante continue de la tension insérée permet de contrôler un courant continu traversant le bras. La composante alternative de la tension insérée générée par une chaine de sous-modules permet de contrôler un courant alternatif traversant le condensateur et l’enroulement secondaire du transformateur, connectés en parallèle de ladite chaine de sous-modules. Le courant alternatif traversant l’enroulement primaire correspondant du transformateur et par conséquent le courant alternatif circulant dans le réseau d’alimentation électrique alternatif sont également contrôlés. Ces courants étant contrôlables en phase et en amplitude, la puissance active et la puissance réactive du convertisseur peuvent également être contrôlées.
Par ailleurs, la somme des composantes alternatives des tensions insérées dans le bras, générées par les chaines de sous-module, est nulle, de sorte que la circulation d’un courant alternatif dans le bras est empêchée.
Les inventeurs ont constaté qu’il est possible de s’affranchir de l’utilisation de sous-modules horizontaux connectés en parallèles des chaines de sous-modules, tels que décrits dans EP 3 352 354.
L’utilisation, selon l’invention, d’un condensateur connecté électriquement et de manière passive au point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules permet de bloquer la circulation d’un courant continu dans l’enroulement secondaire du transformateur tout en autorisant la circulation d’un courant alternatif. Ce courant alternatif est contrôlable grâce aux chaines de sous-modules. Ceci rend possible les échanges de puissance entre les chaines de sous-modules et les terminaux alternatifs du convertisseur de tension. Le convertisseur offre donc les degrés de contrôle nécessaires pour convertir efficacement une tension continue en une tension alternative, et inversement. En particulier, la conversion de tension n’est pas compromise par l’utilisation d’un condensateur connecté au point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules par une connexion électrique passive.
Un intérêt de l’invention, par rapport aux convertisseurs de l’art antérieur, est donc de réduire le poids et l’encombrement du convertisseur en se dispensant d’un nombre important de sous-modules et donc d’éléments de commutation et d’éléments de stockage en parallèles des chaines de sous-modules. L’isolation et le refroidissement du convertisseur de tension sont améliorés. En outre, la fabrication du convertisseur est facilitée et les coûts de fabrication sont réduits.
Par ailleurs, le nombre d’éléments commandables du convertisseur selon l’invention étant limité, le contrôle du convertisseur est également facilité.
De préférence, tous les condensateurs sont reliés électriquement aux points supérieurs ou inférieurs des chaines de sous-modules par des connexions électriques passives.
De préférence, ledit au moins un des condensateurs est connecté directement audit point supérieur ou inférieur. Aussi, une ligne électrique dépourvue de composant ou de nœud électrique connecte une électrode du condensateur et le point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules. A titre indicatif, cela implique qu’il n’y a pas de nœud électrique entre le condensateur et le point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules, et que le courant qui circule dans la connexion électrique passive n’est pas divisé entre deux branches entre le condensateur et le point supérieur ou inférieur. Le potentiel du point supérieur ou inférieur est donc sensiblement égal au potentiel de ladite électrode du condensateur. Un intérêt est là encore de réduire le nombre de composants et donc le poids et l’encombrement du convertisseur de tension.
De manière non limitative, ledit condensateur peut former l’unique composant connecté entre ledit enroulement secondaire et le point supérieur ou inférieur de la chaine de sous-modules.
Avantageusement, le convertisseur de tension comprend trois terminaux alternatifs, le bras comprend trois chaines de sous-modules et le transformateur comprend trois enroulements primaires et trois enroulements secondaires, chacun des trois enroulements primaires ayant au moins une borne connectée respectivement à un des trois terminaux alternatifs du convertisseur et chacune des trois chaines de sous-modules étant connectée en parallèle avec un des trois enroulements secondaires. Un intérêt est de permettre de connecter le convertisseur à un réseau d’alimentation électrique alternatif triphasé, chacun des terminaux alternatifs étant connecté à une des trois phases dudit réseau.
De préférence le transformateur est triphasé. En variante, et sans sortir du cadre de l’invention, le transformateur triphasé peut être formé de trois transformateurs monophasés ayant chacun un enroulement primaire et un enroulement secondaire.
Chacun des enroulements primaires présente avantageusement une première borne connectée à un des trois terminaux alternatifs et une seconde borne connectée à un autre des trois terminaux alternatifs, de sorte qu’à chacun des terminaux alternatifs sont connectées deux bornes parmi l’ensemble des bornes des trois enroulements primaires.
De manière avantageuse, lesdites au moins une borne des trois enroulements primaires sont connectées aux trois terminaux alternatifs selon un couplage en étoile, en triangle ou en zig-zag.
De manière non limitative, le transformateur pourrait également comprendre trois enroulements tertiaires couplés en étoile ou en triangle aux terminaux alternatifs.
Préférentiellement, les sous-modules des chaines de sous-modules du bras présentent une topologie demi-pont ou une topologie pont complet. Sans sortir du cadre de l’invention, d’autres topologies de sous-modules peuvent être envisagées. Sans sortir du cadre de l’invention, le bras peut comprend une combinaison de sous-modules en pont complet et de sous-modules en demi-pont.
L’organe de commande d’un sous-module en demi-pont (« Half Bridge » en langue anglaise) comporte un premier élément de commutation électronique connecté en série avec le dispositif de stockage d’énergie et un deuxième élément de commutation électronique couplé entre les bornes d’entrée et de sortie du sous-module.
L’organe de commande d’un sous-module pont-complet (« Full Bridge » en langue anglaise) comporte quatre éléments de commutation.
Dans ces deux topologies, l’organe de commande comprend avantageusement une diode antiparallèle connectée en parallèle de chacun des éléments de commutation.
Selon un aspect particulièrement avantageux de l’invention, le convertisseur de tension comprend au moins un module de filtrage connecté en série avec le bras et configuré pour empêcher la circulation d’un courant alternatif dans ledit bras.
Les chaines de sous-modules du bras du convertisseur de tension s’opposent efficacement à la circulation d’un courant alternatif dans le bras. Cependant, en cas de perturbation ou de déséquilibre sur le réseau d’alimentation électrique alternatif, il arrive que la tension résultant de la somme des tensions insérées dans le bras, générées par les chaines de sous-modules, présente une composante alternative résiduelle de sorte qu’un courant alternatif subsiste dans le bras.
Un intérêt du module de filtrage est de filtrer et donc de supprimer cette composante alternative de la tension totale, dans le bras de manière à garantir la circulation dans le bras d’un unique courant continu.
Le module de filtrage est avantageusement connecté en série avec les chaines de sous-modules du bras, entre les premier et second terminaux continus du convertisseur.
De préférence, le module de filtrage comprend au moins un composant passif et/ou un composant actif.
On entend par composant passif un composant ne produisant pas d’énergie, de tension ou de courant. Un tel composant passif permet de stocker ou conserver une énergie. De manière non limitative, il peut s’agir d’une résistance ou d’un condensateur.
Le module de filtrage peut ne comprendre que des composants passifs de sorte qu’il forme un module de filtrage passif. Les composants passifs sont alors avantageusement dimensionnés de sorte que le module de filtrage présente une grande impédance à sa fréquence de résonance, afin de filtrer efficacement la composante alternative du courant dans le bras.
On entend par composant actif un composant commandable apte à générer une tension ou un courant contrôlé. De manière non limitative, il peut s’agir d’un interrupteur, d’un semi-conducteur, tel un transistor ou encore d’un sous-module comprenant au moins un semi-conducteur.
Le module de filtrage peut comprendre au moins un composant actif, de sorte qu’il forme un module de filtrage actif.
De préférence, le module de filtrage comprend une inductance et une capacité connectées en parallèle l’une de l’autre. Encore de préférence, le module de filtrage consiste en une inductance et une capacité connectées en parallèle l’une de l’autre.
Le module de filtrage forme alors un filtre empêchant la circulation du courant alternatif dans le bras. On choisit avantageusement ladite inductance et ladite capacité de sorte que la fréquence de résonance du module de filtrage coïncide avec celle du réseau d’alimentation électrique alternatif.
Préférentiellement, le module de filtrage comprend une chaine de sous-modules supplémentaire comprenant une pluralité de sous-modules commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module de ladite chaine de sous-modules supplémentaire comprend au moins un dispositif de stockage d’énergie connectable en série avec le bras lorsque l’organe de commande du sous-module est dans un état commandé.
La chaîne de sous-modules supplémentaire permet de générer une tension alternative à ses bornes ayant une amplitude égale à celle de la composante alternative de la tension totale aux bornes de l’ensemble des chaines de sous-modules du bras, et ayant une phase opposée.
De manière avantageuse, chacune des chaines de sous-modules du bras est en outre connectée en parallèle avec une inductance, ladite inductance étant connectée en série avec ledit condensateur et ledit enroulement secondaire du transformateur.
L’inductance est de préférence disposée entre ledit enroulement secondaire et ledit condensateur.
Avantageusement, le convertisseur de tension comprend un module de démarrage configuré pour charger les dispositifs de stockage d’énergie des sous-modules lorsqu’il est placé dans un premier état. Lors de la charge des dispositifs de stockage d’énergie, la tension aux bornes des chaines de sous-modules augmente progressivement jusqu’à atteindre une valeur nominale.
Le module de démarrage est de préférence connecté entre les terminaux alternatifs du convertisseur de tension et un réseau d’alimentation électrique alternatif auquel est connecté ledit convertisseur de tension. En variante, le module de démarrage peut être connecté entre les terminaux continus du convertisseur de tension et un réseau d’alimentation électrique continu auquel est connecté ledit convertisseur de tension
De préférence, le module de démarrage comprend au moins un premier interrupteur connecté à un des terminaux alternatifs ou continus du convertisseur et une résistance de limitation connectée en parallèle dudit interrupteur, ledit interrupteur étant ouvert lorsque le module de démarrage est placé dans le premier état.
Aussi, dans le premier état, un courant non-contrôlé apparait dans le bras. Ce courant non-contrôlé est limité par la résistance de limitation et charge progressivement les organes de stockage des sous-modules, jusqu’à une valeur de pré-charge prédéfinie.
Cette valeur de pré-charge prédéfinie est notamment choisie de manière à permettre l’alimentation d’un module de contrôle.
De préférence, le module de démarrage peut être placé dans un second état, dans lequel ledit au moins un interrupteur est fermé, de manière à court-circuiter ladite résistance de limitation.
Le module de limitation est d’abord maintenu dans le premier état jusqu’à ce que les organes de stockage des sous-modules atteignent la valeur de pré-charge prédéfinie. Les chaines de sous-modules sont alors commandables et peuvent être commandées pour augmenter progressivement l’énergie stockée dans leurs organes de stockage. Lorsque la tension aux bornes de chaque chaine de sous-modules atteint une valeur finale sensiblement égale à la tension du réseau d’alimentation électrique continu, le module de démarrage est placé dans le second état.
L’ensemble des organes de stockage d’énergie des sous-modules sont chargés à une valeur de charge finale. Le contrôle du courant continu circulant dans le bras et des courants alternatifs circulant dans les branches du convertisseur est alors rétabli et le convertisseur de tension fonctionne alors normalement.
Préférentiellement, le convertisseur de tension comprend un module de contrôle configuré pour commander les organes de commande des sous-modules des chaines de sous-modules du bras, de manière à réguler les tensions aux bornes desdites chaines de sous-modules.
Le module de contrôle est configuré pour réguler l’énergie stockée dans les condensateurs des sous-modules des chaines de sous-modules du bras et éventuellement de la chaine de sous-modules supplémentaire, en commandant les organes de commande des sous-modules.
Le module de contrôle permet notamment de réguler les composantes continues et alternatives des tensions insérées dans le bras, générées par les chaines de sous-modules.
En conséquence, le module de contrôle permet de réguler le courant continu circulant dans le bras et donc le courant alternatif circulant dans les condensateurs et les enroulements secondaires connectés en parallèles des chaines de sous-modules.
L’invention porte également sur une installation de transport de courant continu haute tension comprenant un réseau d’alimentation électrique continu, un réseau d’alimentation électrique alternatif et un convertisseur de tension selon l’invention, ledit convertisseur de tension étant configuré pour connecter électriquement lesdits réseaux d’alimentation électrique alternatif et continu entre eux.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 illustre une installation HVDC comprenant un premier mode de réalisation d’un convertisseur de tension selon l’invention ;
La figure 2 illustre un sous-module en demi-pont du convertisseur de tension de la figure 1;
La figure 3 illustre un sous-module en pont complet du convertisseur de tension de la figure 1 ;
La figure 4 illustre une installation HVDC comprenant un second mode de réalisation d’un convertisseur de tension selon l’invention ;
La figure 5 illustre une première variante d’un module de filtrage du convertisseur de tension de la figure 4 ; et
La figure 6 illustre une seconde variante d’un module de filtrage du convertisseur de tension de la figure 4.
L’invention porte sur un convertisseur de tension permettant de convertir une tension alternative en une tension continue et inversement.
La figure1illustre une installation HVDC8comprenant un premier mode de réalisation d’un convertisseur de tension10selon l’invention, connectant entre eux un réseau d’alimentation électrique continu12et un réseau d’alimentation électrique alternatif14 de l’installation. Dans cet exemple non limitatif, le réseau d’alimentation électrique alternatif14est un réseau triphasé comprenant trois phases.
Comme on le constate sur la figure1, le convertisseur de tension10comprend un premier terminal continu16et un second terminal continu18configurés pour être reliés électriquement au réseau d’alimentation électrique continu12. La tensionV DC du réseau d’alimentation électrique continu12est illustrée entre le premier terminal continu16et le second terminal continu18.
Le convertisseur comprend un bras20s’étendant entre le premier terminal continu16et le second terminal continu18. Le bras20comprend des première21, deuxième22et troisième23chaines de sous-modulesSM. Les première, deuxième et troisième chaines21,22,23de sous-modules sont connectées en série dans le bras20.
La première chaine21de sous-modules s’étend entre un premier point supérieur21aet un premier point inférieur21b. La deuxième chaine22de sous-modules s’étend entre un deuxième point supérieur22aet un deuxième point inférieur22b. La troisième chaine23de sous-modules s’étend entre un troisième point supérieur23aet un troisième point inférieur23b.
Chacune des chaines de sous-modules comprend une pluralité de sous-modulesSMqui peuvent être commandés suivant une séquence souhaitée. Chaque chaine de sous-modules peut comprendre de deux à plusieurs dizaines de sous-modulesSM.
Comme illustré en figure2et3, chaque sous-moduleSMcomporte un dispositif de stockage d’énergie comprenant dans cet exemple un condensateurC SM , et un organe de commande pour connecter sélectivement ce condensateur en série entre les bornes du sous-moduleSMou pour le contourner.
La figure2illustre un sous-module ayant une topologie en demi-pont (« Half-bridge » en langue anglaise). Dans ce sous-module en demi-pont, l’organe de commande comporte un premier élément de commutation électroniqueT1tel qu’un transistor bipolaire à grille isolée (« IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor » en langue anglaise) connecté en série avec le condensateurC SM . Ce premier élément de commutationT1et ce condensateurC SM sont montés en parallèle d’un deuxième élément de commutation électroniqueT2, également un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT). Ce deuxième élément de commutation électroniqueT2est couplé entre les bornes d’entrée et de sortie du sous-moduleSM. Les premier et deuxième éléments de commutationT1etT2sont tous deux associés à une diode antiparallèleDreprésentée sur la figure2.
En fonctionnement, le sous-module peut être placé dans deux états distincts.
Dans un premier état dit état « on » ou commandé, le premier élément de commutationT1et le deuxième élément de commutationT2sont configurés de manière à connecter le condensateurC SM en série avec les autres sous-modules de la chaine de sous-modules. Dans un deuxième état dit état « off » ou non-commandé, le premier élément de commutationT1et le deuxième élément de commutationT2sont configurés de sorte à contourner le condensateurC SM .
Les sous-modules sont commandés selon une séquence choisie pour faire varier progressivement le nombre d’éléments de stockage d’énergie, et donc le nombre de condensateurs, qui sont connectés en série dans la chaine de sous-modules correspondante et donc dans le bras du convertisseur de tension10, de façon à fournir plusieurs niveaux de tension.
La figure3illustre une variante du sous-module de la figure2, dans laquelle le sous-module présente une topologie en pont complet (« Full-bridge » en langue anglaise).Dans cette topologie, le sous-module comprend quatre éléments de commutationT ’1,T ’2,T ’3,T ’4, chacun étant associé en parallèle avec une diode antiparallèleD.
En se référant de nouveau à la figure1, on constate que le convertisseur de tension10comprend également un premier terminal alternatif24, un deuxième terminal alternatif26et un troisième terminal alternatif28. Chacun des premier, deuxième et troisième terminaux alternatifs24,26,28est configuré pour être relié électriquement à l’une des trois phases du réseau d’alimentation électrique alternatif14.
Le convertisseur de tension10comprend en outre un transformateur30comprenant des premier31a, deuxième32aet troisième33aenroulements primaires associés respectivement à des premier31b, deuxième32bet troisième33benroulements secondaires.
Le convertisseur de tension10comprend de plus un premier condensateur34, un deuxième condensateur36et un troisième condensateur38.
Le premier condensateur34et le premier enroulement secondaire31b sont connectés en série l’un par rapport à l’autre dans une première branche40s’étendant entre le premier point supérieur21 aet le premier point inférieur21 b de la première chaine de sous-modules. Le premier condensateur34et le premier enroulement secondaire31bsont donc connectés en parallèle de la première chaine21de sous-modules .
Selon l’invention, le premier condensateur34est relié électriquement au premier point supérieur21ade la première chaine21de sous-modules par une première liaison électrique35formant une connexion électrique passive, dépourvue de moyens commandables.
Un intérêt est de s’affranchir de l’utilisation de sous-modules dans ladite première branche40, afin de réduire le nombre de composants du convertisseur de tension10et ainsi réduire son poids, son encombrement et son coût de fabrication.
Le premier condensateur34est en outre relié directement au premier point supérieur, de sorte qu’aucun composant ni aucun nœud n’est disposé entre le premier condensateur et le premier point supérieur.
Le deuxième condensateur36et le deuxième enroulement secondaire32 bsont connectés en série l’un par rapport à l’autre dans une deuxième branche42s’étendant entre le deuxième point supérieur22 aet le deuxième point inférieur22 bde la deuxième chaine de sous-modules. Le deuxième condensateur36et le deuxième enroulement secondaire32 bsont donc connectés en parallèle de la deuxième chaine de sous-modules22.
Selon l’invention, le deuxième condensateur36est relié électriquement au deuxième point supérieur22apar une deuxième liaison électrique37formant une connexion électrique passive, dépourvue de moyens commandables. Le deuxième condensateur36est relié directement au deuxième point supérieur22ade la deuxième chaine de sous-modules.
Le troisième condensateur38et le troisième enroulement secondaire33 bsont connectés en série l’un par rapport à l’autre dans une troisième branche44s’étendant entre le troisième point supérieur23 aet le troisième point inférieur23 b de la troisième chaine de sous-modules. Le troisième condensateur38et le troisième enroulement secondaire33 bsont donc connectés en parallèle de la troisième chaine de sous-modules23.
Selon l’invention, le troisième condensateur38est relié électriquement au troisième point supérieur23 apar une troisième liaison électrique39formant une connexion électrique passive, dépourvue de moyens commandables. Le troisième condensateur est relié directement au troisième point supérieur. En variante, et sans sortir du cadre de l’invention, lesdits condensateurs pourraient être reliés électriquement aux points inférieurs des chaines de sous-modules associées par des connexions électriques passives.
Selon une autre variante, de manière non limitative, chacune des branches pourrait comprendre deux condensateurs, à savoir un premier condensateur connecté au point supérieur de la chaine de sous-modules associée par une connexion électrique passive et un second condensateur connecté au point inférieur de la chaine de sous-modules associée par une connexion électrique passive.
Le premier enroulement primaire31 acomprend une première borne311connectée au premier terminal alternatif24et une seconde borne312connectée au deuxième terminal alternatif26. Le deuxième enroulement primaire32 acomprend une première borne321connectée au deuxième terminal alternatif26et une seconde borne322connectée au troisième terminal alternatif28. Le troisième enroulement primaire33 acomprend une première borne331connectée au troisième terminal alternatif28et une seconde borne332connectée au premier terminal alternatif24.
Dans cet exemple non-limitatif, les bornes des enroulements primaires31a,32a,33adu transformateur30sont couplées aux phases du réseau d’alimentation électrique alternatif14selon un couplage en triangle.
Le convertisseur comprend par ailleurs un module de contrôle46configuré pour commander les organes de commande des sous-modulesSMdes chaines de sous-modules21,22,23du bras, de manière à réguler les tensions aux bornes desdites chaines de sous-modules.
Le fonctionnement du convertisseur de tension10de la figure1, selon l’invention va maintenant être détaillé.
Chacune des première, deuxième et troisième chaines21,22,23de sous-modulesSMse comporte comme une source de tension et permet de générer dans le bras20respectivement une première tension inséréev m1 , une deuxième tension inséréev m2 et une troisième tension inséréev m3 , chacune dépendant du nombre de sous-modules commandés. Lesdites tensionsv m1 , v m2 , v m3 insérées dans le bras 20 sont contrôlables grâce au module de contrôle46qui permet de commander les sous-modules des chaines de sous-modules. Lesdites tensions insérées présentent une composante continue et une composante alternative contrôlables indépendamment l’une de l’autre.
Les composantes continues de ces tensions inséréesv m1 , v m2 , v m3 ont pour conséquence de générer un premier courant continui DC circulant dans le bras20 et traversant les chaines de sous-modules.
La composante alternative de la tension insérée dans le bras, générée par chacune des chaines de sous-modules, permet de générer un courant alternatif circulant dans la branche associée.
Aussi, la composante alternative de la première tension inséréev m1 , générée par la première chaine de sous-modules21, permet de générer un premier courant alternatifi AC 1 circulant dans la première branche40et traversant le premier condensateur34et le premier enroulement secondaire31b. De même, la composante alternative de la deuxième tension inséréev m2 générée par la deuxième chaine de sous-modules22permet de générer un deuxième courant alternatifi AC 2 circulant dans la deuxième branche42et traversant le deuxième condensateur36et le deuxième enroulement secondaire32b. La composante alternative de la troisième tension inséréev m3 générée par la troisième chaine de sous-modules23permet de générer un troisième courant alternatifi AC 3 circulant dans la troisième branche44et traversant le troisième condensateur38et le troisième enroulement secondaire33b.
Les premier, deuxième et troisième courants alternatifsi AC 1 ,i AC 2 et i AC 3 sont également contrôlables en contrôlant l’amplitude et la phase de la composante alternative des tensions insérées dans le bras, générées par les chaines de sous-modules.
Le premier condensateur34étant connecté directement et par une connexion passive au premier point supérieur21 a, le potentiel de l’électrode du condensateur connectée à la première liaison35est sensiblement égal au potentiel du premier point supérieur21a. Il en est de même pour les deuxième et troisième condensateurs36,38.
Par ailleurs, les premier, deuxième et troisième condensateurs34,36,38permettent de bloquer le passage d’un courant électrique continu respectivement dans les première, deuxième et troisième branches40,42,44. Aussi, lesdits condensateurs permettent de découpler la composante continue de la composante alternative des tensions insérées, générées par les chaines de sous-modules.
Le contrôle des premier, deuxième et troisième courants alternatifsi AC 1 ,i AC 2 et i AC 3 circulant dans les première, deuxième et troisième branches40,42,44et donc dans les enroulements secondaires31b,32b,33bdu transformateur30permet également de contrôler le courant circulant dans les enroulements primaires31a,32a,33adudit transformateur.
Dans la mesure où les enroulements primaires du transformateur sont couplés aux phases du réseau d’alimentation électrique alternatif14, le couranti AC circulant dans chacune des phases dudit réseau d’alimentation électrique alternatif14 est également contrôlé.
La figure4illustre une installation HVDC8comprenant un second mode de réalisation du convertisseur de tension10selon l’invention. Ce second mode de réalisation est une variante du convertisseur de tension10de la figure1.
Dans cette variante, le convertisseur de tension10est en outre muni d’un module de filtrage50connecté en série avec le bras20, entre les premier et second terminaux continus16,18, et plus précisément entre le premier terminal continu16et le premier point supérieur21ade la première chaine21de sous-modules. Le module de filtrage50est configuré pour filtrer la composante alternative de la tension totale résultant de la somme des tensions inséréesv m1 , v m2 , v m3 dans le bras20, de manière à empêcher la circulation d’un courant alternatif dans le bras et à garantir la circulation dans le bras d’un unique courant continui DC .
Une première variante d’un module de filtrage est illustrée en figure5. Dans cet exemple, le module de filtrage50comprend une inductance52et une capacité54connectées en parallèle l’une de l’autre. Ces deux composants sont passifs de sorte que le module de filtrage50est également passif.
Ladite inductance52et ladite capacité54forment un filtre. Elles sont dimensionnées de sorte que la fréquence de résonance du module de filtrage50coïncide avec celle du réseau d’alimentation électrique alternatif14et pour que le module de filtrage présente une grande impédance à ladite fréquence de résonance.
La figure6illustre une seconde variante d’un module de filtrage50. Dans cet exemple, le module de filtrage50comprend une chaine de sous-modules supplémentaire56comprenant une pluralité de sous-modulesSMcommandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module de ladite chaine de sous-modules supplémentaire comprenant au moins un dispositif de stockage d’énergie connectable en série dans le bras lorsque l’organe de commande du sous-module est dans un état commandé. Ladite chaine de sous-modules est sensiblement identique aux première, deuxième et troisième chaines21,22,23de sous-modules.
La chaîne de sous-module supplémentaire56permet de générer une tension alternativev supp à ses bornes ayant une amplitude égale à celle de la composante alternative de la tension totale aux bornes de l’ensemble des chaines de sous-modules du bras20, et ayant une phase opposée.
En se référant de nouveau à la figure4, on constate que le convertisseur de tension10comprend de plus, de manière non limitative, une inductance58connectée en série dans le bras20entre le module de filtrage50et la première chaine de sous-module21.
De manière non limitative, le convertisseur de tension10comprend également trois inductances60connectées en séries dans les première, deuxième et troisième branches40,42,44respectivement entre les premier, deuxième et troisième condensateurs34,36,38et les premier, deuxième et troisième enroulements secondaires31b,32b,33bdu transformateur30.
Toujours sur la figure4, on remarque que le convertisseur de tension10comprend en outre un module de démarrage62. Dans cet exemple non limitatif, le module de démarrage comprend un interrupteur64connecté au second terminal continu18du convertisseur de tension et une résistance de limitation66connectée en parallèle dudit interrupteur6 4. Le module de démarrage62est configuré pour charger les dispositifs de stockage d’énergieC SM des sous-modulesSMdes chaines de sous-modules afin de permettre le démarrage du convertisseur de tension10et le contrôle des courants continu et alternatifs circulant dans le convertisseur de tension.
Lorsque le module de démarrage est placé dans un premier état, ledit interrupteur64est ouvert de sorte qu’un courant non-contrôlé apparait et circule dans le bras20.
Les dispositifs de stockage d’énergie des sous-modules du bras se chargent et la tension aux bornes des chaines de sous-modules augmente progressivement jusqu’à atteindre sa valeur nominale. Les sous-modules sont ensuite commandés pour augmenter progressivement l’énergie stockée dans leurs organes de stockage. Lorsque la tension aux bornes de chaque chaine de sous-modules atteint une valeur finale sensiblement égale à la tension du réseau d’alimentation électrique continu, l’interrupteur64est alors fermé de manière à court-circuiter et ainsi contourner ladite résistance de limitation66. Le module de démarrage est alors placé dans un second état.
Le contrôle du courant continu circulant dans le bras et des courants alternatifs circulant dans les branches du convertisseur est alors rétabli et le convertisseur de tension fonctionne alors normalement.
En variante, le module de démarrage62pourrait être connecté entre le réseau d’alimentation électrique alternatifs et les terminaux alternatifs du convertisseur.

Claims (15)

  1. Convertisseur de tension (10) permettant de convertir une tension alternative en une tension continue et inversement, le convertisseur comprenant :
    - des premier et second terminaux continus (16,18) configurés pour être reliés électriquement à un réseau d’alimentation électrique continu (12);
    - une pluralité de terminaux alternatifs (24,26,28) configurés pour être reliés électriquement à un réseau d’alimentation électrique alternatif (14);
    - un bras (20) s’étendant entre les premier et second terminaux continus et comportant une pluralité de chaines (21,22,23) de sous-modules connectées en série dans le bras, chacune desdites chaines de sous-modules présentant un point supérieur (21a,22a,23a) et un point inférieur (21b,22b,23b) entre laquelle elle s’étend, chacune des chaines de sous-modules comprenant une pluralité de sous-modules (SM) commandables individuellement par un organe de commande (T1,T2) propre à chaque sous-module et chaque sous-module comprenant au moins un dispositif de stockage d’énergie (CSM) connectable en série dans le bras lorsque l’organe de commande du sous-module est dans un état commandé ; et
    - un transformateur (30) comportant une pluralité d’enroulements primaires (31a,32a,33a) ayant chacun au moins une borne (311,321,331) connectée respectivement à l’un des terminaux alternatifs du convertisseur et une pluralité d’enroulements secondaires (31b,32b,33b),
    chacune des chaines de sous-modules étant connectée en parallèle avec au moins un condensateur (34,36,38) et un des enroulements secondaires du transformateur, ledit condensateur et ledit enroulement secondaire étant connectés en série l’un par rapport à l’autre, au moins un des condensateurs étant connecté électriquement à un des points supérieurs ou inférieurs d’une des chaines de sous-modules par une connexion électrique passive (35,37,39).
  2. Convertisseur de tension selon la revendication 1, dans lequel ledit au moins un des condensateurs (34,36,38) est connecté directement audit point supérieur (21a,22a,23a) ou inférieur.
  3. Convertisseur de tension selon la revendication 1 ou 2, comprenant trois terminaux alternatifs (24,26,28), dans lequel le bras (20) comprend trois chaines (21,22,23) de sous-modules et dans lequel le transformateur (30) comprend trois enroulements primaires (31a,32a,33a) et trois enroulements secondaires (31b,32b,33b), chacun des trois enroulements primaires ayant au moins une borne (311,321,331) connectée respectivement à un des trois terminaux alternatifs (24,26,28) du convertisseur et chacune des trois chaines de sous-modules étant connectée en parallèle avec un des trois enroulements secondaires.
  4. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel lesdites au moins une borne (311,321,331) des trois enroulements primaires (31a,32a,33a) sont connectées aux trois terminaux alternatifs (24,26,28) selon un couplage en étoile, en triangle ou en zig-zag.
  5. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel les sous-modules des chaines (21,22,23) de sous-modules du bras (20) présentent une topologie demi-pont ou une topologie pont complet.
  6. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, dans le convertisseur de tension comprend au moins un module de filtrage (50) connecté en série avec le bras (20) et configuré pour empêcher la circulation d’un courant alternatif dans ledit bras.
  7. Convertisseur de tension selon la revendication 6, dans lequel le module de filtrage (50) comprend au moins un composant passif et/ou un composant actif.
  8. Convertisseur de tension selon la revendication 6 ou 7, dans lequel le module de filtrage (50) comprend une inductance (52) et une capacité (54) connectées en parallèle l’une de l’autre.
  9. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 6 à 8, dans lequel le module de filtrage (50) comprend une chaine de sous-modules supplémentaire (56) comprenant une pluralité de sous-modules (SM) commandables individuellement par un organe de commande propre à chaque sous-module et chaque sous-module de ladite chaine de sous-modules supplémentaire comprenant au moins un dispositif de stockage d’énergie connectable en série avec le bras (20) lorsque l’organe de commande du sous-module est dans un état commandé.
  10. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 9, dans lequel chacune des chaines (21,22,23) de sous-modules du bras (20) est en outre connectée en parallèle avec une inductance (60), ladite inductance étant connectée en série avec ledit condensateur (34,36,38) et ledit enroulement secondaire du transformateur.
  11. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant un module de démarrage (62) configuré pour charger les dispositifs de stockage d’énergie (CSM) des sous-modules lorsqu’il est placé dans un premier état.
  12. Convertisseur de tension selon la revendication 11, dans lequel le module de démarrage (62) comprend au moins un premier interrupteur (64) connecté à un des terminaux alternatifs ou continus du convertisseur et une résistance de limitation (66) connectée en parallèle dudit interrupteur, ledit interrupteur étant ouvert lorsque le module de démarrage est placé dans le premier état.
  13. Convertisseur de tension selon la revendication 12, dans lequel le module de démarrage (62) peut être placé dans un second état, dans lequel ledit au moins un interrupteur (64) est fermé, de manière à court-circuiter ladite résistance de limitation (66).
  14. Convertisseur de tension selon l’une quelconque des revendication 1 à 13, comprenant en outre un module de contrôle (46) configuré pour commander les organes de commande des sous-modules des chaines (21,22,23) de sous-modules du bras (20), de manière à réguler les tensions aux bornes desdites chaines de sous-modules.
  15. Installation de transport de courant continu haute tension (8) comprenant un réseau d’alimentation électrique continu (12), un réseau d’alimentation électrique alternatif (14) et un convertisseur de tension (10) selon l’une quelconque des revendications 1 à 14, ledit convertisseur de tension étant configuré pour connecter électriquement lesdits réseaux d’alimentation électrique alternatif et continu entre eux.
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