FR3108457A1 - Chaine de conversion munie de circuits d’amortissement - Google Patents

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Abstract

Chaine de conversion munie de circuits d’amortissement Chaine de conversion comprenant une pluralité de modules de conversion (12) comprenant chacun un interrupteur principal (16) connecté dans une ligne électrique principale et pouvant prendre au moins une position ouverte dans laquelle il bloque la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale et une position fermée dans laquelle il autorise la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale ; et un circuit d’amortissement (18) comprenant un transformateur (20) ayant un enroulement primaire (12a,12a’) et un enroulement secondaire (12b,12b’), connecté en série avec un élément de commutation semi-conducteur (26) configuré pour prendre un état bloqué dans lequel il empêche la circulation d’un courant dans le circuit d’amortissement et au moins un état passant dans lequel il autorise la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement entre le terminal supérieur et le terminal inférieur du module de conversion. Figure pour l’abrégé : Fig. 1.

Description

Chaine de conversion munie de circuits d’amortissement
La présente invention concerne le domaine technique des convertisseurs de tension, notamment pour les installations d’alimentation électrique en courant continu haute tension (HVDC pour « High Voltage Direct Current » en langue anglaise). La présente invention concerne plus précisément les chaines de conversion, également appelées valves, pour des convertisseurs de tension, par exemple des convertisseurs commutés par la ligne (LCC pour «Line-Commutated Converters » en langue anglaise) ou des convertisseurs source de tension (VSC pour «Voltage Source Converters » en langue anglaise). Ces convertisseurs peuvent être de type AC/DC, DC/AC ou encore DC/DC.
Les chaines de conversion des convertisseurs de tension connues comprennent généralement une pluralité de modules de conversion connectés en série dans la chaine de conversion. Traditionnellement, ces modules de conversion comprennent chacun un interrupteur principal, par exemple un thyristor, pouvant être ouvert ou fermé et un circuit d’amortissement formant un chemin de courant auxiliaire permettant de contourner au moins partiellement l’interrupteur principal, afin d’ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion, de manière à éviter la surtension aux bornes de l’interrupteur principal et afin d’équilibrer la tension de la chaine de conversion entre les différents modules de conversion.
L’ouverture et la fermeture de l’interrupteur principal d’un module de conversion d’une chaine de conversion peuvent générer un pic de tension aux bornes du module de conversion qui n’est pas souhaitable. Cette surtension risque notamment d’endommager l’interrupteur principal et donc le convertisseur. En outre, cette surtension risque de générer un déséquilibre entre les tensions aux bornes des différents modules de conversion de la chaine de conversion, de sorte la tension totale de la chaine de conversion est répartie uniquement sur une partie des interrupteurs principaux de ladite chaine de conversion. Aussi, en cas de déséquilibre de tension, ces interrupteurs principaux sont soumis à une tension supérieure à leur tension maximale de fonctionnement, ce qui risque de les endommager.
Afin d’équilibrer les tensions aux bornes des différents modules de conversion d’une chaine de conversion, il est connu de munir les dispositifs d’ajustement d’un circuit d’amortissement passif RC comprenant un condensateur et une résistance connectés en série (« RC Snubber » en langue anglaise). Le circuit d’amortissement est généralement identique pour chaque module de conversion. Ce circuit d’amortissement permet de limiter le pic de tension aux bornes de l’interrupteur en régime transitoire et d’équilibrer les tensions entre les différents modules de conversion.
Un inconvénient de ces circuits d’amortissement passifs RC est qu’ils sont très volumineux et encombrants. En outre, ils génèrent d’importantes pertes d’énergie, notamment par effet joule, et doivent généralement être associés à un système de refroidissement adapté, par exemple à eau. Par ailleurs, Ces circuits d’amortissement ne peuvent pas être commandés de sorte qu’ils fonctionnent de manière optimale uniquement pour une partie des points de fonctionnement du convertisseur et sont inefficaces pour d’autres points de fonctionnement.
On connait par ailleurs des chaines de conversion comprenant des circuits d’amortissement actifs (« Active Damping Circuit » en langue anglaise) tels que celui décrit dans le document WO2014/198734. Le circuit d’amortissement de la chaine de conversion décrite dans ce document comprend une résistance, identique pour chacun des modules de conversion, et un élément de commutation formant un interrupteur auxiliaire. Cet élément de commutation permet de connecter la résistance dans le module de conversion et autorise la circulation d’un courant dans le circuit d’amortissement afin de contourner et court-circuiter au moins partiellement l’interrupteur principal. En particulier, à l’ouverture de l’interrupteur principal, l’élément de commutation est rendu passant afin de dévier au moins une partie du courant traversant le module de conversion vers le circuit d’amortissement. Ceci permet d’ajuster et limiter les différents courants de recouvrement inverse circulant dans les interrupteurs principaux des modules de conversion. De cette manière, un courant de recouvrement inverse différent circule dans chacun des interrupteurs principaux. Aussi, à l’ouverture de l’interrupteur principal, l’élément de commutation est rendu passant afin de limiter la surtension aux bornes du module de conversion et de manière à équilibrer les tensions aux bornes des différents modules de conversion.
Un inconvénient de ce type de chaines de conversion est que les éléments de commutation sont soumis à des tensions proches de celles appliquées aux interrupteurs principaux et dont les valeurs sont très élevées, généralement des hautes tensions. Ces éléments de commutation peuvent ainsi être soumis à des tensions de l’ordre de 6 kilovolts et doivent donc être calibrés en tension de manière à supporter de telles tensions, pouvant atteindre 10 kilovolts. Ils sont par ailleurs traversés par des courants faibles. Ce type d’éléments de commutation, devant supporter de fortes tension et un faible courant, est très complexe à fabriquer et particulièrement coûteux et difficile à obtenir sur le marché.
Un but de la présente invention est de proposer une chaine de conversion pour un convertisseur de tension remédiant aux problèmes précités.
Pour ce faire, l’invention porte sur une chaine de conversion pour un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), la chaine de conversion comprenant une pluralité de modules de conversion connectés en série dans ladite chaine de conversion, chaque module de conversion présentant un terminal supérieur et un terminal inférieur entre lesquels il s’étend, chaque module de conversion comprenant:
- une ligne électrique principale s’étendant entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion ;
- un interrupteur principal connecté dans ladite ligne électrique principale et pouvant prendre au moins une position ouverte dans laquelle il bloque la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale et une position fermée dans laquelle il autorise la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale ;
- un circuit d’amortissement configuré pour ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion, connecté entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, ledit circuit d’amortissement comprenant un transformateur ayant un enroulement primaire et un enroulement secondaire, l’enroulement primaire étant connecté dans une boucle primaire, en série avec un condensateur, entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, le circuit d’amortissement comprenant en outre un élément de commutation semi-conducteur connecté en série avec l’enroulement secondaire du transformateur, dans une boucle secondaire, ledit élément de commutation semi-conducteur étant configuré pour prendre un état bloqué dans lequel il empêche la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement et au moins un état passant dans lequel il autorise la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement du module de conversion.
La chaine de conversion est adaptée pour être implantée dans un convertisseur de tension HVDC. De préférence, un tel convertisseur peut être de type AC/DC ou DC/AC, de sorte qu’il permet de convertir une tension alternative en une tension continue, et inversement, ou encore de type DC/DC, de sorte qu’il permet de convertir une première tension continue en une seconde tension continue. De manière non limitative, un tel convertisseur de tension peut être de type VSC ou LCC. Une telle chaine de conversion comprenant une pluralité de modules de conversion est également appelée valve.
L’interrupteur principal est avantageusement apte à supporter des tensions importantes à ses bornes, par exemple des tensions supérieures à 6 kilovolts, généralement de l’ordre de 10 kilovolts. L’interrupteur principal peut être un composant commandable, dont la mise en position ouverte ou fermée peut être contrôlée, ou un composant passif, dont la mise en position ouverte ou fermée dépend de grandeurs associées à la chaine de conversion, telles que le courant circulant dans la ligne électrique principale.
Chacun des circuits d’amortissement est connecté en parallèle de l’interrupteur principal correspondant et permet de créer un chemin de courant auxiliaire dans lequel peut circuler un courant électrique, lorsque l’élément de commutation semi-conducteur est dans l’état passant. Le courant circulant dans la ligne principale est donc réduit lorsque l’élément de commutation électrique est dans ledit au moins un état passant. Un intérêt est notamment d’ajuster le courant de recouvrement inverse circulant dans l’interrupteur principal, risquant d’apparaitre à l’ouverture dudit l’interrupteur principal. Les circuits d’amortissement permettent notamment la circulation d’un courant de recouvrement inverse différent dans chacun des interrupteurs principaux de la chaine de conversion. Ceci permet d’équilibrer la tension entre les terminaux des différents modules de conversion et donc d’équilibrer la tension de la chaine de conversion. L’intérêt est également de réduire la tension entre les terminaux supérieur et inférieur de chacun des modules de conversion, afin d’éviter une surtension.
Dans chacun des modules de conversion, la boucle primaire comprend au moins l’enroulement primaire du transformateur et le condensateur. La boucle secondaire comprend au moins l’enroulement secondaire du transformateur et l’élément de commutation semi-conducteur.
Le transformateur de chaque module de conversion présente un rapport de transformation correspondant au rapport entre le nombre de spires de l’enroulement secondaire et le nombre de spires de l’enroulement primaire. En approximation, le rapport de transformation du transformateur est environ égal au rapport entre la tension aux bornes de l’enroulement secondaire et la tension aux bornes de l’enroulement primaire du module de conversion. Ce rapport de transformation correspondant également, en approximation, au rapport entre le courant circulant dans l’enroulement secondaire et le courant circulant dans l’enroulement primaire. Le transformateur est dimensionné pour permettre l’adaptation de tension souhaitée.
Grâce à l’invention, chaque transformateur permet d’adapter le courant circulant dans la boucle secondaire par rapport au courant circulant dans l’enroulement primaire du module de conversion associé. Chaque transformateur permet en outre d’adapter, de préférence réduire, la tension aux bornes de l’enroulement secondaire par rapport à la tension entre les terminaux supérieur et inférieur dudit module de conversion, lorsque l’élément de commutation semi-conducteur est dans ledit au moins un état passant. La tension aux bornes de l’élément de commutation semi-conducteur correspondant et le courant électrique le traversant, à l’état passant, peuvent donc être adaptés, de préférence réduits, grâce au transformateur.
La tension aux bornes de l’enroulement secondaire du transformateur d’un module de conversion est avantageusement proportionnelle à la différence entre la tension entre les terminaux supérieur et inférieur du module de conversion et la tension aux bornes du condensateur dudit module de conversion, d’un rapport sensiblement égal au rapport de transformation du transformateur.
Les transformateurs des circuits d’amortissement de la chaine de conversion selon l’invention offrent un degré de liberté supplémentaire dans l’ajustement de la tension aux bornes des éléments de commutation semi-conducteurs, ce qui réduit les contraintes dans le choix de ces composants. Contrairement aux dispositifs de l’art antérieur, le calibre en tension des éléments de commutation semi-conducteurs n’est pas imposé par la tension aux bornes des thyristors correspondants. Au contraire, grâce à l’invention, il est notamment possible d’adapter, de préférence réduire, la tension aux bornes des éléments de commutation par rapport à la tension entre les terminaux des modules de conversion, en fonction des plages de tension permettant un fonctionnement optimal de ces éléments de commutation.
Grâce à l’invention, le choix et le dimensionnement des éléments de commutation semi-conducteurs est facilité. Il est notamment possible d’utiliser des éléments de commutation semi-conducteurs répandus sur le marché. Ceci permet de réduire les coûts par rapport aux dispositifs de l’art antérieur qui imposent l’utilisation d’éléments de commutation spécifiques, particulièrement coûteux, devant notamment supporter des tensions très importantes.
L’utilisation d’un transformateur en régime impulsionnel, dans des applications de forte puissance comme celle de l’invention, n’est pas commune. La tension aux bornes de l’interrupteur principal d’un module de conversion, lorsqu’il est ouvert, présente une forte composante continue, qui ne peut pas être supportée par le transformateur. L’utilisation d’un transformateur est facilitée par l’introduction astucieuse du condensateur connecté dans la boucle primaire. En effet, ce condensateur permet de filtrer et de bloquer cette composante continue. Un intérêt est d’empêcher la saturation du transformateur. Dans chacun des modules de conversion de la chaine de conversion selon l’invention, l’élément de commutation semi-conducteur est de préférence maintenu dans l’état bloqué lorsque l’interrupteur principal du module de conversion est en position fermée. De cette manière, un courant circule dans la ligne principale du module de conversion et traverse ledit interrupteur principal, tandis qu’aucun courant ne circule dans le circuit d’amortissement correspondant.
L’élément de commutation semi-conducteur est de préférence placé dans ledit au moins un état passant de manière à éviter la mise en surtension de l’interrupteur principal. De manière non limitative, l’élément de commutation semi-conducteur peut être placé dans ledit au moins un état passant lors des régimes transitoires de l’interrupteur principal du module de conversion correspondant, ou, en d’autres mots, lorsque l’on souhaite commuter l’interrupteur principal entre la position ouverte et la position fermée et inversement. En effet, des pics de tension aux bornes de l’interrupteur principal risquent d’apparaitre à l’ouverture et à la fermeture de ce dernier. En outre, un courant de recouvrement inverse circulant en sens inverse du courant circulant dans la ligne principale électrique risque d’apparaitre à l’ouverture de l’interrupteur principal, pouvant créer un déséquilibre entre les tensions des différents modules de conversion de la chaine de conversion. L’élément de commutation semi-conducteur peut être placé dans ledit au moins un état passant afin de dévier au moins une partie d’un tel courant de recouvrement inverse vers le circuit d’amortissement. Ceci permet d’ajuster ce courant de recouvrement inverse circulant dans la ligne principale et permet la circulation d’un courant de recouvrement inverse différent dans chacun des interrupteurs principaux. Un intérêt est d’éviter la surtension de l’interrupteur principal. En outre, l’équilibre de la tension de la chaine de conversion entre les différents modules de conversion est amélioré.
Par exemple, juste avant d’ouvrir ou fermer l’interrupteur principal d’un module de conversion, l’élément de commutation semi-conducteur est placé dans un état passant. Le circuit d’amortissement créé alors un chemin de courant auxiliaire pour le courant. De préférence, l’élément de commutation semi-conducteur, et de manière générale le circuit d’amortissement, présente une impédance faible, facilitant le passage du courant dans le circuit d’amortissement. Au moins une partie du courant circulant dans le module de conversion est alors dévié vers le circuit d’amortissement. Avantageusement, le circuit d’amortissement est configuré pour dévier au moins partiellement un courant de recouvrement inverse pouvant apparaitre dans la ligne électrique principale. Un courant circule alors dans ledit circuit d’amortissement. Plus précisément, un premier courant circule dans la boucle primaire et dans l’enroulement primaire du transformateur et un second courant circule dans la boucle secondaire et dans l’enroulement secondaire du transformateur. En revanche, le courant circulant dans la ligne électrique principale est limité et la tension aux bornes de l’interrupteur principal est également limitée, permettant ainsi d’éviter une surtension. L’interrupteur principal est donc au moins partiellement contourné, ou court-circuité.
La tension aux bornes de l’enroulement secondaire du transformateur, lorsque l’élément de commutation semi-conducteur est fermé, dépend alors de l’impédance de la boucle secondaire, vue par ledit élément de commutation.
Grâce au transformateur, la tension aux bornes de l’élément de commutation semi-conducteur diffère de la tension entre les terminaux du module de conversion, en fonction du rapport de transformation du transformateur. L’interrupteur principal peut alors être placé en position ouverte sans qu’une surtension n’apparaisse à ses bornes lors du régime transitoire.
De préférence, l’ensemble des circuits d’amortissement de la chaine de conversion sont sensiblement identiques. En outre, ils présentent avantageusement une impédance sensiblement égale. Un intérêt est d’améliorer l’équilibre entre les entre les terminaux des modules de conversion de la chaine de conversion, lorsque les éléments de commutation semi-conducteurs sont dans un état passant. Les tensions entre les terminaux des différents modules de conversion dont les interrupteurs principaux sont contournés sont alors sensiblement égales. En d’autres mots, la tension totale de la chaine de conversion est équitablement répartie entre les modules de conversion.
De préférence, l’ensemble des éléments de commutation de la chaine de conversion sont commandés de manière similaire et simultanée, afin d’améliorer l’équilibre des tensions entre les modules de conversion.
De manière non limitative, l’élément de commutation semi-conducteur peut être avantageusement commandé en mode tout-ou-rien, entre un unique état bloqué et un unique état passant. Dans l’état bloqué, son impédance est très grande, idéalement infinie. Dans l’état passant, son impédance est très faible. En variante, l’élément de commutation semi-conducteur peut fonctionner en mode linéaire et être apte à prendre une pluralité d’états passants, correspondant chacun à une impédance propre donnée à l’élément de commutation semi-conducteur.
De manière avantageuse, le circuit d’amortissement peut comprendre une résistance connectée en série avec l’enroulement secondaire du transformateur, dans la boucle secondaire. Cette résistance permet d’ajuster le courant circulant dans la boucle secondaire et la tension entre les terminaux supérieur et inférieur du module de conversion, cette tension dépendant de l’impédance du circuit d’amortissement.
De préférence, le transformateur présente un rapport de transformation compris entre 0 et 1 entre l’enroulement primaire et l’enroulement secondaire du transformateur. Le rapport de transformation correspond au rapport entre le nombre de spires de l’enroulement secondaire et le nombre de spires de l’enroulement primaire. En approximation, le rapport de transformation du transformateur est environ égal au rapport entre la tension aux bornes de l’enroulement secondaire et la tension aux bornes de l’enroulement primaire du transformateur en fonctionnement. Un intérêt est de réduire la tension aux bornes de l’élément de commutation semi-conducteur par rapport à la tension aux bornes de l’interrupteur principal et donc entre les terminaux supérieur et inférieur du module de conversion. Les éléments de commutation semi-conducteurs de la chaine de conversion sont donc soumis à une tension très inférieure à la tension à laquelle sont soumis les éléments de commutation des dispositifs de l’art antérieur. Aussi, il n’est pas nécessaire de sélectionner un élément de commutation semi-conducteur spécifiquement calibré en tension, apte à supporter une tension importante, par exemple supérieure à 6 kilovolts, qui sont particulièrement coûteux et peu disponibles sur le marché. Un élément de commutation de calibre en tension inférieur peut être utilisé. Le coût et l’encombrement de la chaine de conversion est donc réduit.
Avantageusement, le transformateur est un autotransformateur, de sorte que l’enroulement secondaire est une portion de l’enroulement primaire. Un avantage est qu’un tel autotransformateur présente une taille réduite par rapport aux transformateurs classiques. Il est en outre moins coûteux et présente un rendement supérieur.
De manière avantageuse, l’interrupteur principal est un composant semi-conducteur, par exemple un thyristor ou une diode. Si l’interrupteur principal est un thyristor, alors il comprend une anode, une cathode et une gâchette permettant de commander son ouverture et sa fermeture. Auquel cas, la position ouverte de l’interrupteur principal correspond à l’état bloquée du thyristor et la position fermée correspond à l’état passant du thyristor
L’interrupteur principal peut également être un transistor, par exemple un transistor bipolaire.
Préférentiellement, le circuit d’amortissement comprend une diode connectée en série avec l’élément de commutation semi-conducteur, dans la boucle secondaire. La diode autorise uniquement la circulation du courant dans un seul sens, dans la boucle secondaire. Un intérêt est d’imposer une tension moyenne sensiblement nulle aux bornes de l’enroulement secondaire du transformateur, afin d’éviter sa saturation.
De préférence, l’élément de commutation semi-conducteur est un composant semi-conducteur ayant une tension de fonctionnement inférieure à 4 kilovolts (kV). L’élément de commutation semi-conducteur fonctionne de manière optimale lorsqu’il est soumis à une tension inférieure à 4 kilovolts, et ne risque pas d’être endommagé à cette tension. Un intérêt est que ce type d’élément de commutation semi-conducteur est moins coûteux et encombrant que les éléments de commutation calibrés pour supporter de fortes tensions. En outre, ces composants sont couramment utilisés et peuvent être facilement trouvés sur le marché. Le coût de production de la chaine de conversion est donc réduit et sa fabrication est facilitée.
Avantageusement, l’élément de commutation semi-conducteur est un transistor, par exemple un transistor bipolaire à grille isolée (IGBT) ou un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET). La mise dans l’état passant ou bloqué d’un tel transistor peut être commandée. Il présente avantageusement une grille, un collecteur et un émetteur, dans le cas d’un transistor bipolaire ou une grille, un drain et une source en cas de transistor à effet de champ.
Les transistors MOSFET sont généralement configurés pour fonctionner à basse tension, environ 650 volts. Les transistors bipolaires IGBT sont traditionnellement calibrés pour supporter des tensions plus importantes, comprises entre 650 volts et 6.5 kilovolts. Le choix de l’élément de commutation semi-conducteur peut être fait en fonction du transformateur et de son rapport de transformation.
De manière avantageuse, l’élément de commutation semi-conducteur est apte à prendre une pluralité d’états passants, chaque état passant correspondant à une valeur de courant électrique traversant ledit élément de commutation semi-conducteur. L’élément de commutation semi-conducteur présente alors un fonctionnement linéaire. Chaque état passant correspond à une impédance donnée dudit élément de commutation semi-conducteur. L’état passant parmi la pluralité d’état passant dans lequel est placé l’élément de commutation semi-conducteur détermine son impédance et donc le courant traversant ledit élément de commutation semi-conducteur et circulant dans la boucle secondaire.
L’élément de commutation semi-conducteur permet donc de contrôler la valeur du courant circulant dans la boucle secondaire et indirectement la valeur du courant circulant dans la boucle primaire. Un intérêt est notamment d’ajuster le courant de recouvrement inverse circulant dans l’interrupteur principal afin d’éviter une surtension de l’interrupteur principal. L’élément de commutation semi-conducteur permet également de contrôler la tension aux bornes des enroulements primaire et secondaire du transformateur et donc la tension entre les terminaux du module de conversion.
Ce fonctionnement linéaire de l’élément de commutation semi-conducteur offre une plus grande liberté dans l’ajustement de la tension entre les terminaux du module de conversion, par rapport à un élément de commutation semi-conducteur fonctionnant dans un mode tout-ou-rien.
De préférence, la chaine de conversion comprend un module de contrôle configuré pour commander la mise audit au moins un état passant ou à l’état bloqué de l’élément de commutation semi-conducteur. La mise dans un état passant est généralement commandée avant de placer l’interrupteur principal en position ouverte.
Avantageusement, le module de contrôle est configuré pour commander la mise dans l’un des états passants dudit élément de commutation semi-conducteur, en fonction d’une consigne de tension aux bornes de l’enroulement secondaire du transformateur et/ou d’une consigne de courant traversant ledit enroulement secondaire du transformateur. Un intérêt est de pouvoir réguler le courant circulant dans la boucle secondaire et la tension aux bornes de l’enroulement secondaire, afin d’ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion.
Préférentiellement, l’interrupteur principal comprend deux bornes entre lesquelles il s’étendant, le module de contrôle étant configuré pour commander le passage de l’état bloqué de l’élément de commutation semi-conducteur audit au moins un état passant dudit élément de commutation semi-conducteur lorsque la tension aux bornes de l’interrupteur principal dépasse un seuil de tension prédéterminé. Un intérêt est d’éviter l’endommagement de l’élément de commutation semi-conducteur en cas de surtension. Le seuil de tension dépend des propriétés de l’interrupteur principal et est avantageusement fixé à une valeur inférieure à la tension maximale de fonctionnement dudit interrupteur principal, afin de garantir sa sécurité.
De manière non limitative, le dépassement du seuil de tension peut intervenir à l’ouverture ou à la fermeture de l’interrupteur principal.
De manière avantageuse, le module de contrôle est configuré pour commander l’ouverture et la fermeture de l’interrupteur principal.
L’invention porte par ailleurs sur un convertisseur de tension pour une installation HVDC comprenant au moins une chaine de conversion telle que décrite précédemment. Ce convertisseur peut être de type LCC ou VSC et peut être un convertisseur AC/DC, un convertisseur DC/AC ou encore un convertisseur DC/DC.
L’invention porte également sur un procédé de contrôle d’une chaine de conversion telle que décrite précédemment, le procédé comprenant une étape de mise dans ledit au moins un état passant dudit élément de commutation semi-conducteur, de manière à autoriser la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement, afin d’ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion.
De préférence, l’élément de commutation semi-conducteur est placé dans ledit au moins un état passant lorsque la tension aux bornes de l’interrupteur principal dépasse un seuil de tension prédéterminé.
Préférentiellement, l’élément de commutation semi-conducteur est placé dans un état passant choisi parmi une pluralité d’états passants, de manière à ajuster le courant électrique traversant ledit élément de commutation semi-conducteur
Ce mode de mise en œuvre du procédé correspond à une commande linéaire de l’élément de commutation semi-conducteur.
L’invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit d’un mode de réalisation de l'invention donné à titre d'exemple non limitatif, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
La figure 1 illustre une chaine de conversion selon l’invention ;
La figure 2 illustre un premier mode de réalisation d’un module de conversion de la chaine de conversion de la figure 1 ;
La figure 3 illustre un deuxième mode de réalisation d’un module de conversion de la chaine de conversion de la figure 1 ;
La figure 4 illustre un troisième mode de réalisation d’un module de conversion de la chaine de conversion de la figure 1 ;
La figure 5 illustre un quatrième mode de réalisation d’un module de conversion de la chaine de conversion de la figure 1 ; et
La figure 6 illustre un convertisseur de tension AC/DC comprenant une pluralité de chaines de conversion selon l’invention.
L’invention porte sur une chaine de conversion pour un convertisseur de tension, notamment un convertisseur de tension HVDC.
De manière non limitative, le convertisseur de tension peut être de type AC/DC et permettre de convertir une tension alternative en une tension continue et inversement. En variante, et toujours de manière non limitative, le convertisseur de tension peut être de type DC/DC et permettre de convertir une première tension continue en une seconde tension continue et inversement. Le convertisseur de tension peut par ailleurs être un convertisseur commuté par la ligne (LCC) ou un convertisseur source de tension (VSC).
La figure1illustre une chaine de conversion10selon l’invention pour un tel convertisseur de tension. La chaine de conversion10comprend une pluralité de modules de conversion12connectés en série les uns des autres dans la chaine de conversion10. Dans cet exemple non limitatif, la chaine de conversion10comprend trois modules de conversion12. Chacun des modules de conversion12comprend un terminal supérieur12aet un terminal inférieur12bentre lesquels il s’étend. Le terminal inférieur12bd’un module de conversion12est relié électriquement au terminal supérieur12adu module de conversion12directement adjacent.
Chacun des modules de conversion12comprend une ligne électriquement principale14s’étendant entre son terminal supérieur12aet son terminal inférieur12b. Chaque module de conversion12comprend un interrupteur principal16connecté dans sa ligne principale14entre le terminal supérieur12aet le terminal inférieur12b. Ces interrupteurs principaux peuvent prendre une position ouverte et une position fermée.
Dans cet exemple non limitatif, les interrupteurs principaux16sont des interrupteurs à semi-conducteur et plus précisément des thyristors. Ils comprennent chacun une anodeA reliée électriquement au terminal supérieur12adu module de conversion correspondant, une cathodeKreliée électriquement au terminal inférieur12bdu module de conversion correspondant, et une gâchetteG a permettant de commander le thyristor. Chaque interrupteur principal16peut prendre une position ouverte, correspondant à l’état bloqué du thyristor, dans laquelle il bloque la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale14, par exemple si la tension entre l’anodeAet la cathodeKest négative ou si cette tension est positive mais le courant entrant sur la gâchetteG aest nul. Chaque interrupteur principal16peut également prendre une position fermée, correspondant à l’état passant du thyristor, dans laquelle il autorise la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale14, notamment si la tension entre l’anodeAet la cathodeKest positive et qu’une impulsion en courant positive a été appliquée sur la gâchetteG a.
Dans cet exemple non limitatif, tous les interrupteurs principaux16sont sensiblement identiques et de même nature.
Chaque module de conversion12comprend par ailleurs un circuit d’amortissement18configuré pour ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion, connecté entre les terminaux supérieur et inférieur12a,12bdu module de conversion12correspondant. Chaque circuit d’amortissement18est connecté en parallèle de l’interrupteur principal16du module de conversion.
La figure2illustre un premier mode de réalisation d’un module de conversion12de la chaine de conversion10de la figure1. L’interrupteur principal16présente une tensionV T à ses bornes, et donc entre les terminaux supérieur et inférieur12a,12b. Le circuit d’amortissement18du module de conversion12comprend un transformateur20. Dans cet exemple non limitatif, l’anode du thyristor16est connectée au terminal inférieur12bdu module de conversion et sa cathode est connectée au terminal supérieur12adu module de conversion.
Dans ce premier mode de réalisation non limitatif, le transformateur20est de type monophasé, de sorte qu’il comprend un enroulement primaire20aet un enroulement secondaire20b, isolés galvaniquement. Le transformateur est polarisé normalement.
L’enroulement primaire20adu transformateur20est connecté dans une boucle primaire22entre le terminal supérieur12aet le terminal inférieur12bdu module de conversion12. Un condensateur24est connecté en série avec l’enroulement primaire20adu transformateur20, dans la boucle primaire22, entre le terminal supérieur12adu module de conversion et ledit enroulement primaire.
Le circuit d’amortissement18comprend en outre un élément de commutation semi-conducteur26connecté en série avec l’enroulement secondaire20bdu transformateur20. L’enroulement secondaire20best connecté dans une boucle secondaire28. Une diode30est en outre connectée en série dans la boucle secondaire28, entre l’enroulement secondaire20bet l’élément de commutation semi-conducteur26. La diode est passante dans le sens allant de l’enroulement secondaire à l’élément de commutation semi-conducteur.
L’enroulement primaire20adu transformateur20présente une tensionV1à ses bornes tandis que l’enroulement secondaire20bprésente une tensionV2à ses bornes. Le transformateur présente un rapport de transformation entre son enroulement primaire20aet son enroulement secondaire20bqui est, dans cet exemple non limitatif, inférieur à 1 et compris entre 0 et 1. La tension aux bornes de l’enroulement secondaire20best donc strictement inférieure à la tension aux bornes de l’enroulement primaire20a, en fonctionnement.
Sans sortir du cadre de l’invention, le thyristor16pourrait être inversé de manière à conduire le courant dans le sens opposé. Le sens de la diode et la polarité du transformateur devraient alors être adaptés.
Les transformateurs de la chaine de conversion selon l’invention offrent un degré de liberté supplémentaire dans l’ajustement de la tension aux bornes des éléments de commutation semi-conducteurs26, ce qui réduit les contraintes dans le choix de ces composants. Contrairement aux dispositifs de l’art antérieur, le calibre des éléments de commutation semi-conducteurs n’est pas imposé par la tension aux bornes des interrupteurs principaux correspondants. Au contraire, grâce à l’invention, il est notamment possible d’adapter la tension aux bornes des éléments de commutation semi-conducteurs en fonction des plages de tension permettant un fonctionnement optimal de ces éléments de commutation semi-conducteurs.
Dans cet exemple non limitatif, l’élément de commutation semi-conducteur26est un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET) de sorte qu’il comprend une grilleG, un drainDet une sourceS. Cet élément de commutation semi-conducteur26peut prendre un état bloqué dans lequel il se comporte comme un interrupteur ouvert et il ne permet pas la circulation d’un courant électrique dans la boucle secondaire28et dans l’enroulement secondaire20bdu transformateur20et donc dans le circuit d’amortissement18. Sans sortir du cadre de l’invention, l’élément de commutation semi-conducteur pourrait être un transistor IGBT.
Dans cet exemple non limitatif, l’élément de commutation semi-conducteur26peut également prendre une pluralité d’états passants dans lesquels il autorise la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement18et plus précisément d’un courant électriquei2dans la boucle secondaire28et dans l’enroulement secondaire20 bdu transformateur. Dans chacun de ces états passants, l’élément de commutation semi-conducteur26se comporte comme un interrupteur fermé, de sorte que le circuit d’amortissement forme un chemin de courant auxiliaire permettant de dévier le courant. Le courant circulant dans la ligne électrique principale14est alors réduit. L’impédance de l’élément de commutation semi-conducteur26est différente pour chacun des états passants, de sorte que le courant électriquei2circulant dans la boucle secondaire28peut être régulé en commandant l’élément de commutation semi-conducteur26et en le plaçant dans un des états passants. L’élément de commutation semi-conducteur permet donc de réguler le courant électriquei 2circulant dans la boucle secondaire et la tensionV 2aux bornes de l’enroulement secondaire. L’élément de commutation semi-conducteur26peut donc être commandé de manière linéaire. En variante, l’élément de commutation semi-conducteur pourrait être commandé en fonctionnement tout-ou-rien, de sorte qu’il ne commuterait qu’entre un état bloqué et un unique état passant.
Comme illustré en figure2, la chaine de conversion10comprend par ailleurs un module de contrôle40permettant de commander les interrupteurs principaux16et les éléments de commutation semi-conducteurs26des modules de conversion12. En particulier, le module de contrôle40est configuré pour commander la mise à l’état passant ou bloqué de l’élément de commutation semi-conducteur26. Dans cet exemple non limitatif, il permet en outre de commander l’élément de commutation semi-conducteur26en ajustant la tensionV GS entre la grille et la source de l’élément de commutation semi-conducteur en fonction d’une consigne de de tension VT* entre les terminaux supérieur et inférieur du module de conversion12.
Un mode de mise en œuvre du procédé de la chaine de conversion10, en régime transitoire, au moyen du module de contrôle40, va maintenant être détaillé, et plus précisément la commande du module de conversion de la figure2, permettant d’amortir la surtension pouvant apparaitre à l’ouverture de l’interrupteur principal16.
De manière non limitative, l’ensemble des modules de conversion10, et notamment des éléments de commutation semi-conducteurs26sont commandés de manière similaire et simultanément, par exemple par des cartes électroniques identiques.
En régime stationnaire, l’interrupteur principal16du module de conversion12est en position fermée et est traversé par un courant circulant dans la ligne principale14. Il présente une tensionV T à ses bornes qui est une haute tension, environ égale à 10 kilovolts. L’élément de commutation semi-conducteur26est à l’état bloqué, de sorte qu’aucun courant ne circule dans le circuit d’amortissement18.
Lorsqu’il est envisagé de placer l’interrupteur principal16en position ouverte, l’élément de commutation semi-conducteur26est placé dans un état passant, de sorte qu’un courant circule dans le circuit d’amortissement18. Le circuit d’amortissement18génère alors un chemin auxiliaire de circulation du courant électrique, de sorte que le courant circulant dans le module de conversion est au moins partiellement dévié vers le circuit d’amortissement.18. Le courant circulant dans la ligne électrique principale14, à travers l’interrupteur principal16, est réduit. Ceci permet notamment d’ajuster le courant de recouvrement inverse circulant dans l’interrupteur principal16. Grâce au circuit d’amortissement18, la tension entre les terminaux de l’interrupteur principal est donc limitée, ce qui permet d’éviter une surtension de l’interrupteur principal.
Un couranti2circule alors dans la boucle secondaire28et l’enroulement secondaire20bprésente une tensionV2à ses bornes, tandis que l’enroulement primaire20aprésente une tensionV1, supérieure àV2, à ses bornes. La diode30empêche la circulation d’un courant inverse dans la boucle secondaire. Le condensateur24filtre et bloque la composante continue de la tensionV T aux bornes de l’interrupteur principal16afin d’éviter la saturation du transformateur20.
En variante, l’élément de commutation semi-conducteur26pourrait être placé dans un état passant lorsque la tensionV T aux bornes de l’interrupteur principal16dépasse un seuil de tension prédéterminé, par exemple un seuil légèrement inférieur à la tension maximale de fonctionnement dudit interrupteur principal.
Selon l’invention, grâce à transformateur20, la tension à laquelle est soumis l’élément de commutation semi-conducteur26, dans l’état passant, est adaptée et réduite par rapport à la tensionV T aux bornes de l’interrupteur principal16. L’élément de commutation semi-conducteur26est soumis à une tension ayant un ordre de grandeur proche de la tensionV2aux bornes de l’enroulement secondaire20bdu transformateur, qui est dans cet exemple très inférieure à la tensionV T aux bornes de l’interrupteur principal16. Le transformateur permet d’utiliser un transistor MOSFET comme élément de commutation semi-conducteur, ayant un fonctionnement optimal à très basse tension, à environ 650 volts. Le transformateur20permet de s’affranchir de l’utilisation d’un élément de commutation semi-conducteur de fort calibre en tension, apte à supporter une très haute tension, de plus de 4 kilovolts. Ceci permet de réduire les coûts par rapport aux dispositifs de l’art antérieur qui imposent l’utilisation d’éléments de commutation spécifiques, particulièrement coûteux, devant notamment supporter des tensions très élevées.
L’interrupteur principal16peut alors être ouvert sans qu’une surtension n’apparaisse entre les terminaux supérieur12aet inférieur12b du module de conversion. Un intérêt est d’éviter l’endommagement du module de conversion12et plus généralement du convertisseur de tension. Les circuits d’amortissement18permettent ainsi d’équilibrer les tensions entre les terminaux supérieur et inférieur12a,12bdes différents modules de conversion12 de la chaine de conversion10.
De manière non limitative, les circuits d’amortissement18de l’ensemble des modules de conversion sont similaires et présentent une impédance sensiblement identique afin d’améliorer l’équilibre entre les tensions entre les terminaux des modules de conversion1 2, lorsque les éléments de commutation semi-conducteurs sont dans l’état passant.
Dans cet exemple non limitatif, la tensionV GS entre la grille et la source du transistor26peut être pilotée grâce au module de contrôle, de manière à placer l’élément de commutation semi-conducteur dans un état passant choisi parmi la pluralité d’états passant possibles. Ceci permet de réguler le couranti2circulant dans la boucle secondaire28et la tensionV2aux bornes de l’enroulement secondaire20bdu transformateur20, notamment afin de fonctionner dans une plage de fonctionnement optimal de l’élément de commutation semi-conducteur et ne pas dépasser ses seuils de fonctionnement en courant et tension.
L’élément de commutation semi-conducteur peut ensuite être de nouveau placé dans l’état bloqué, de manière à interrompre la circulation d’un courant dans le circuit d’amortissement18du module de conversion12.
La figure3illustre un deuxième mode de réalisation d’un module de conversion12d’une chaine de conversion10selon l’invention. Dans ce deuxième mode de réalisation, le transformateur20est polarisé en inverse. En outre, le thyristor16est connecté dans l’autre sens, de sorte que son anode est connectée au terminal supérieur12adu module de conversion et sa cathode est connectée au terminal inférieur12b.
La figure4illustre un troisième mode de réalisation d’un module de conversion12d’une chaine de conversion10selon l’invention. Dans ce troisième mode de réalisation, le transformateur20’est un autotransformateur de sorte que l’enroulement secondaire20b’est une portion de l’enroulement primaire20a’.
Là-encore, le thyristor16est connecté de sorte que son anode est connectée au terminal supérieur12adu module de conversion et sa cathode est connectée au terminal inférieur12bdu module de conversion12. La diode30est connectée entre le drain de l’élément de commutation semi-conducteur26 et l’enroulement secondaire20b’du transformateur20’. La diode connectée de manière à être passante dans le sens allant du drain de l’élément de commutation semi-conducteur26à l’enroulement secondaire20b’.
La figure5illustre un quatrième mode de réalisation d’un module de conversion12d’une chaine de conversion10selon l’invention. Dans ce troisième mode de réalisation, le transformateur20’est également un autotransformateur.
Le thyristor16est connecté de sorte que son anode est connectée au terminal inférieur12bdu module de conversion et sa cathode est connectée au terminal supérieure12adu module de conversion12. Dans cet exemple non limitatif, le condensateur24est connecté entre le terminal inférieur12bdu module de conversion et l’enroulement primaire20a ’ dutransformateur20’.
La figure6illustre un convertisseur de tension AC/DC100comprenant une pluralité de chaines de conversion10selon l’invention. Le convertisseur de tension100est de type LCC et permet de convertir une tension alternative en une tension continue. Il permet en outre de connecter entre eux un réseau d’alimentation électrique alternatif et un réseau d’alimentation électrique continu. Un tel convertisseur de tension100est particulièrement adapté pour être implanté dans une installation HVDC.
Dans cet exemple non limitatif, le convertisseur de tension100comprend un dispositif de conversion supérieur102connecté à un dispositif de conversion inférieur104. Chaque dispositif de conversion102,104comprend trois bras106comprenant chacun deux chaines de conversion10selon l’invention. Dans chaque bras106, les chaines de conversion10sont connectées entre elles en un point intermédiaire110. Les bras du dispositif de conversion102,104sont reliés à deux transformateurs108.

Claims (16)

  1. Chaine de conversion (10) pour un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), la chaine de conversion comprenant une pluralité de modules de conversion (12) connectés en série dans ladite chaine de conversion, chaque module de conversion (12) présentant un terminal supérieur (12a) et un terminal inférieur (12b) entre lesquels il s’étend, chaque module de conversion comprenant:
    - une ligne électrique principale (14) s’étendant entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion ;
    - un interrupteur principal (16) connecté dans ladite ligne électrique principale et pouvant prendre au moins une position ouverte dans laquelle il bloque la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale et une position fermée dans laquelle il autorise la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale ;
    - un circuit d’amortissement (18) configuré pour ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion, connecté entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, ledit circuit d’amortissement comprenant un transformateur (20) ayant un enroulement primaire (12a,12a’) et un enroulement secondaire (12b,12b’), l’enroulement primaire étant connecté dans une boucle primaire (22), en série avec un condensateur (24), entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, le circuit d’amortissement comprenant en outre un élément de commutation semi-conducteur (26) connecté en série avec l’enroulement secondaire du transformateur, dans une boucle secondaire (28), ledit élément de commutation semi-conducteur étant configuré pour prendre un état bloqué dans lequel il empêche la circulation d’un courant dans le circuit d’amortissement et au moins un état passant dans lequel il autorise la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement du module de conversion.
  2. Chaine conversion selon la revendication1, dans laquelle le transformateur (20,20’) présente un rapport de transformation compris entre 0 et 1 entre l’enroulement primaire (12a,12a’) et l’enroulement secondaire (12b,12b’) du transformateur.
  3. Chaine conversion selon la revendication1ou2, dans laquelle le transformateur (20’) est un autotransformateur, de sorte que l’enroulement secondaire (20b’) est une portion de l’enroulement primaire (20a’).
  4. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à3, dans laquelle l’interrupteur principal (16) est un composant semi-conducteur, par exemple un thyristor ou une diode.
  5. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à4, dans laquelle le circuit d’amortissement (18) comprend une diode connectée en série avec l’élément de commutation semi-conducteur, dans la boucle secondaire.
  6. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à5, dans laquelle le circuit d’amortissement (18) comprend une résistance connectée en série avec l’élément de commutation semi-conducteur, dans la boucle secondaire (28).
  7. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à6, dans laquelle l’élément de commutation semi-conducteur (26) est un composant semi-conducteur ayant une tension de fonctionnement inférieure à 4 kilovolts (kV).
  8. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à7, dans laquelle l’élément de commutation semi-conducteur (26) est un transistor, par exemple un transistor à grille isolée (IGBT) ou un transistor à effet de champ à grille métal-oxyde (MOSFET).
  9. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à8, dans laquelle l’élément de commutation semi-conducteur (26) est apte à prendre une pluralité d’états passants, chaque état passant correspondant à une valeur de courant électrique traversant ledit élément de commutation à semi-conducteur.
  10. Chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à9, comprenant en outre un module de contrôle configuré pour commander la mise audit au moins un état passant ou à l’état bloqué de l’élément de commutation semi-conducteur (26).
  11. Chaine de conversion selon les revendications9et10, dans laquelle le module de contrôle est configuré pour commander la mise dans l’un des états passants dudit élément de commutation semi-conducteur, en fonction d’une consigne de tension aux bornes de l’enroulement secondaire (20b,20b’) du transformateur (20) et/ou d’une consigne de courant traversant ledit enroulement secondaire du transformateur.
  12. Chaine de conversion selon la revendication10ou11, dans laquelle l’interrupteur principal (16) comprend deux bornes entre lesquelles il s’étendant, et dans laquelle le module de contrôle est configuré pour commander le passage de l’état bloqué de l’élément de commutation semi-conducteur (26) audit au moins un état passant dudit élément de commutation semi-conducteur lorsque la tension aux bornes de l’interrupteur principal dépasse un seuil de tension prédéterminé.
  13. Convertisseur de tension pour une installation HVDC, comprenant au moins une chaine de conversion (10) selon l’une quelconque des revendications1à12.
  14. Procédé de contrôle d’une chaine de conversion selon l’une quelconque des revendications1à12, comprenant une étape de mise dans ledit au moins un état passant dudit élément de commutation semi-conducteur (26), de manière à autoriser la circulation d’un courant électrique dans le circuit d’amortissement (18) afin d’ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion.
  15. Procédé de contrôle selon la revendication14, dans lequel l’élément de commutation semi-conducteur (26) est placé dans ledit au moins un état passant lorsque la tension aux bornes de l’interrupteur principal (26) dépasse un seuil de tension prédéterminé.
  16. Procédé de contrôle selon la revendication14ou15, dans lequel l’élément de commutation semi-conducteur (26) est placé dans un état passant choisi parmi une pluralité d’états passants, de manière à ajuster le courant électrique traversant ledit élément de commutation à semi-conducteur.
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