FR3110303A1 - Convertisseur alternatif-continu de type MMC - Google Patents
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Abstract
Convertisseur alternatif-continu de type MMC comprennant une première interface comprenant au moins deux premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant alternatif, une deuxième interface comprenant au moins deux deuxièmes bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant continu, et au moins quatre bras, chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras. Chaque bras comprend une inductance et une pluralité de dispositifs de commutation. Dans ce convertisseur alternatif-continu de type MMC au moins deux inductances sont couplées magnétiquement entre elles. Figure pour l’abrégé : Fig. 4
Description
Domaine technique général et art antérieur
La présente divulgation concerne le domaine général des dispositifs de conversion d’énergie pour les applications industrielles. Plus particulièrement cette divulgation concerne les dispositifs permettant la conversion d’un courant électrique alternatif en un courant électrique continu et vice et versa. Ces dispositifs de conversion d’un courant électrique alternatif en un courant électrique continu sont aussi connus sous l’expression « convertisseurs alternatif-continus ». Cette divulgation concerne également les bobines présentes dans ces convertisseurs alternatif-continus.
Les convertisseurs alternatif-continus s’appliquent particulièrement dans les réseaux d’énergie électrique. En particulier dans le cadre des liaisons de type courant continu haute tension (HVDC pour « High Voltage Direct Current » en terminologie anglaise) par exemple pour relier des sources d’énergie renouvelable (EnR).
Les figures 1-a à 1-d représentent différents types de convertisseurs alternatif-continus. La figure 1-a représente un convertisseur alternatif-continu de type convertisseur commuté par les lignes (LCC pour « Line Commutated Converter » en anglais) à Thyristors. La figure 1-b représente un convertisseur alternatif-continu de type convertisseur source de tension (VSC pour « Voltage-Source Converter » en anglais) avec 2 niveaux de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT ou « Insulated Gate Bipolar Transistor » en terminologie anglaise). La figure 1-c représente un dispositif de type AAC (pour « Alternate Arm Converter » en anglais) à IGBT ou SiC (Carbure de Silicium). La figure 1-d représente un autre dispositif de convertisseur MMC.
Les convertisseurs alternatif-continus à cellules dites demi-ponts connus ne permettent pas d’éviter la propagation de défauts de type courant transitoires en provenance de la partie continue du convertisseur vers la partie alternative du convertisseur.
Il y a donc un besoin pour un nouveau type de convertisseur alternatif-continu qui ne présente pas le défaut des convertisseurs alternatif-continus à cellules dites demi-ponts connus.
Présentation générale de l’invention
Selon un aspect de l’invention un convertisseur alternatif-continu de type MMC est proposé. Ce convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend une première interface comprenant au moins deux premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant alternatif, une deuxième interface comprenant au moins deux deuxièmes bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant continu, et au moins quatre bras, chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras. Chaque bras comprend une inductance et une pluralité de dispositifs de commutation. Dans ce convertisseur alternatif-continu de type MMC au moins deux inductances sont couplées magnétiquement entre elles.
Ce convertisseur alternatif-continu de type MMC permet d’éviter la propagation de défauts de type courants transitoires en provenance des deuxièmes bornes de la deuxième interface vers les premières bornes de la première interface et en provenance des premières bornes de la première interface vers les deuxièmes bornes de la deuxième interface. Ceci est réalisé par le couplage magnétique entre les inductances associées aux différentes phases du courant alternatif. Ceci permet de garantir une stabilité du convertisseur alternatif-continu sans nécessiter d’installer une ou des boucles de contrôle complexes. La solution mise en œuvre dans ce convertisseur est donc facilement implémentable et peu couteuse.
Dans un mode de réalisation la première interface comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant alternatif triphasé, le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend au moins six bras chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras, et au moins deux inductances (IP1Sup, IP2Sup) de deux bras différents reliés à la même première borne sont couplées magnétiquement entre elles.
Dans un mode de réalisation la première interface comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé. Le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend au moins six bras, chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras, chaque inductance est couplée magnétiquement avec toutes les autres inductances.
Dans un mode de réalisation la première interface comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé. Le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend au moins six bras, chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras. Au moins deux inductances de deux bras différents reliés à deux premières bornes différentes et deux deuxièmes bornes différentes sont couplées magnétiquement entre elles.
Dans un mode de réalisation la première interface comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé. Le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend au moins six bras, chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras. Au moins trois inductances de trois bras différents reliés à une même deuxième borne sont couplées magnétiquement entre elles.
Dans un mode de réalisation au moins l’une des inductances (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup, IP3Inf) est une bobine comprenant au moins un enroulement.
Dans un mode de réalisation l’enroulement est réalisé en aluminium ou cuivre.
Dans un mode de réalisation l’enroulement est réalisé dans un matériau supraconducteur, par exemple dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de Cuivre.
Dans un mode de réalisation le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend un circuit cryogénique de refroidissement comprenant un fluide de refroidissement, par exemple de l’azote liquide ou de l’hélium liquide, le circuit cryogénique de refroidissement étant agencé pour refroidir la bobine.
D’autres caractéristiques et avantages de l’invention ressortiront encore de la description qui suit, laquelle est purement illustrative et non limitative, et doit être lue en regard des figures annexées sur lesquelles :
- Les figures 1-a à 1-d illustrent différents types de convertisseurs alternatif-continus.
- Les figures 2-a et 2-b illustrent deux types de convertisseur alternatif-continus conformes à deux modes de réalisation de la présente divulgation.
- Les figures 3-a et 3-b illustrent la propagation d’un courant de défaut entre la partie continue et la partie alternative d’un convertisseur alternatif-continu de type MMC.
- La figure 4 illustre différents types de couplages conformes à des modes de réalisation de la présente divulgation.
- La figure 5 illustre l’état supraconducteur de certains matériaux.
- La figure 6 représente différents matériaux ayant des propriétés supraconductrices.
Description
de
modes de mise en œuvre et de réalisation
Les figures 2-a et 2-b représentent deux convertisseurs alternatif-continus de type convertisseur modulaire multiniveaux (MMC ou « Modular Multilevel Converter » en terminologie anglaise) selon deux modes de réalisation de la présente divulgation.
La figure 2-a représente un premier mode de réalisation du convertisseur alternatif-continu de type MMC. Dans ce mode de réalisation le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprend une première interface EAC reliée à un réseau électrique transportant un courant alternatif et une deuxième interface EDC reliée à un réseau électrique transportant un courant continu. Dans l’exemple de la figure 2-a, la première interface EAC est reliée à un réseau triphasé comprenant trois phases. La première interface EAC comporte trois premières bornes (BEAC1 à BEAC3) pour relier les trois phases du réseau électrique transportant le courant alternatif. La deuxième interface EDC comprend deux deuxièmes bornes (BEDC1 et BEDC2) reliées au réseau électrique transportant le courant continu. Le convertisseur alternatif-continu de la figure 2-a comprend un transformateur de découplage TF. Ce transformateur de découplage TF permet une séparation galvanique entre le courant sur la première interface EAC et le courant sur la deuxième interface EDC du convertisseur alternatif-continu. Ce transformateur de découplage TF est optionnel. Chaque phase du réseau triphasé est reliée à une inductance (notée IP1 pour la phase 1, IP2 pour la phase 2 et IP3 pour la phase 3) puis à deux bras, incluant un bras supérieur (notée BRSup1 pour la phase 1, BRSup2 pour la phase 2 et BRSup3 pour la phase 3) et un bras inférieur (notée BRInf1 pour la phase 1, BRInf2 pour la phase 2, BRInf3 pour la phase 3). Dans le mode de réalisation de la figure 2-a, il y a trois bras inférieurs et trois bras supérieurs. Il y a autant de bras supérieurs que de phases du courant alternatif et donc que de premières bornes (BEAC1 à BEAC3) de la première interface EAC. Il y a autant de bras inférieurs que de phases du courant alternatif et donc que de premières bornes (BEAC1 à BEAC3) de la première interface EAC. Les bras inférieurs et supérieurs comprennent chacun une inductance respective (notées IP1Sup pour le bras supérieur de la phase 1 et IP1Inf pour le bras inférieur de la phase 1 ; IP2Sup pour le bras supérieur de la phase 2 et IP2Inf pour le bras inférieur de la phase 2 ; IP3Sup pour le bras supérieur de la phase 3 et IP3Inf pour le bras inférieur de la phase 3). Dans le mode de réalisation de la figure 2-a, les bras inférieurs et supérieurs comprennent, pris ensemble, 6 inductances. Les bras inférieurs et supérieurs comprennent chacun une pluralité de dispositifs de commutation (notées IGBTSup1 pour le bras supérieur de la phase 1 et IGBTInf1 pour le bras inférieur de la phase 1, IGBTSup2 pour le bras supérieur de la phase 2 et IGBTInf2 pour le bras inférieur de la phase 2, IGBTSup3 pour le bras supérieur de la phase 3 et IGBTInf3 pour le bras inférieur de la phase 3). Dans le mode de réalisation de la figure 2-a, 6 pluralités de dispositifs de commutation sont comprises dans l’ensemble des trois bras inférieurs et trois bras supérieurs. Les trois bras supérieurs (BRSup1 à BRSup3) sont reliés à l’une des deux deuxièmes bornes (BEDC1) de la deuxième interface EDC. Les trois bras inférieurs (BRInf1 à BRInf3) sont reliés à l’autre des deux deuxièmes bornes (BEDC2) de la deuxième interface EDC. Le rôle des six inductances (IP1Sup, IP2Sup, IP3Sup, IP1Inf, IP2Inf et IP3Inf) comprises dans les trois bras supérieurs (BRSup1 à BRSup3) et les trois bras inférieurs (BRInf1 à BRInf3) est en régime permanent de fixer la valeur du courant dans les trois bras supérieurs (BRSup1 à BRSup3) et les trois bras inférieurs (BRInf1 à BRInf3) et en régime transitoire de limiter la variation temporelle du courant dans les trois bras supérieurs (BRSup1 à BRSup3) et les trois bras inférieurs (BRInf1 à BRInf3).
Dans le mode de réalisation de la figure 2-a, chaque dispositif de commutation de la pluralité de dispositif de commutation (IGBTSup1 à IGBTSup3 et IGBTInf1 à IGBTInf3) comprend :
- un ensemble constitué de deux transistors bipolaires à grille isolée (TBIP1-a et TBIP2-a) connectés en série et de deux diodes de roule libre (DEL1-a et DEL2-a) connectées en parallèle à chaque transistor bipolaire à grille isolée (TBIP1-a et TBIP2-a) et
- un condensateur C1-a.
L’ensemble et le condensateur C1-a sont connectés en parallèle.
Le convertisseur alternatif-continu de type MMC du deuxième mode de réalisation de la figure 2-b est identique à celui du premier mode de réalisation de la figure 2-a mis à part les dispositifs de commutation. En effet, dans le deuxième mode de réalisation du convertisseur alternatif-continu de type MMC de la figure 2-b, chaque dispositif de commutation de la pluralité de dispositifs de commutation (IGBTSup1 à IGBTSup3 et IGBTInf1 à IGBTInf3) comprend :
- un premier ensemble constitué de deux transistors bipolaires à grille isolée (TBIP1-1-b et TBIP2-1-b) connectés en série entre eux et de deux diodes de roue libre (DEL1-1-a et DEL2-1-b) connectées en parallèle à chaque transistor bipolaire à grille isolée (TBIP1-1-b et TBIP2-1-b) ;
- un deuxième ensemble constitué de deux transistors bipolaires à grille isolée (TBIP1-2-b et TBIP2-2-b) connectés en série entre eux et de deux diodes de roue libre (DEL1-2-a et DEL2-2-b) connectées en parallèle à chaque transistor bipolaire à grille isolée (TBIP1-2-b et TBIP2-2-b) ;
- un condensateur C1-b.
Le premier et le deuxième ensembles sont connectés en parallèle l’un à l’autre et en parallèle avec le condensateur C1-b.
Le dispositif alternatif-continu MMC de la figure 2-a est moins chère, moins encombrante, moins complexe, et produit moins de pertes électriques que le dispositif alternatif-continu MMC de la figure 2b.
Ces convertisseurs alternatif-continus MMC permettent de convertir un courant alternatif entrant par la première interface EAC reliée au réseau de courant alternatif en un courant continu sortant par la deuxième interface EDC reliée au réseau de courant continu. Ces convertisseurs alternatif-continus MMC permettent aussi de convertir un courant continu entrant par la deuxième interface EDC reliée au réseau de courant continu en un courant alternatif sortant par la première interface EDC reliée au réseau de courant alternatif. Ces conversions alternatif vers continu et continu vers alternatif sont réalisées par la commutation successive des transistors bipolaires à grille isolée.
Un dispositif de contrôle adapté, donne des ordres successifs de fermeture et de d’ouverture aux transistors bipolaires à grille isolée de manière à reconstituer par morceaux le courant électrique continu souhaité. Le contrôle joue sur la durée de la fermeture et la durée de l’ouverture de chaque transistors, ainsi que sur les choix des transistors et leur nombre pour reconstituer le courant électrique continu souhaité. Ce principe s’appelle la Modulation de Largeur d’Impulsion (« Pulse Width Modulation » en anglais).
Ces convertisseurs alternatif-continus précédemment décrits sont avantageusement utilisés pour optimiser les liaisons en courant continu haute tension (HVDC). En particulier ils permettent de minimiser les pertes, de limiter le coût d’investissement (également connu sous l’expression CAPEX pour « CAPpital EXpenditure » en anglais), ils présentent une fiabilité élevée, et un faible encombrement. Le contrôle de ce type de convertisseurs est réalisé en utilisant deux boucles de régulation imbriquées :
- Une boucle externe de régulation qui permet le contrôle des grandeurs électriques du réseau pour réaliser la fonction attendue, en particulier pour contrôler la tension continue de sortie, corriger la puissance réactive du courant alternatif QAC, ou pour maintenir la fréquence du courant alternatif fAC,….
- Une boucle interne de régulation qui permet d’assurer la stabilité du convertisseur, son efficience en régime permanent mais aussi lors des régimes transitoires.
Les convertisseurs alternatif-continus MMC comprennent un dispositif de modulation permettant de commander l’ouverture ou la fermetures des transistors bipolaires à grille isolée (TBIP1-a, TPB2-b). Ces commandes de l’ouverture ou la fermeture des transistors bipolaires à grille isolée (TBIP1-a, TBIP2-b) sont réalisées via l’application d’un courant sur la grille de ces transistors bipolaires à grille isolée. Le dispositif de modulation utilise des informations des boucles de régulation pour déterminer les transistors bipolaires à grille isolée à ouvrir ou fermer. Ce principe connu sous l’expression de Modulation de Largeur d’Impulsion (« Pulse Width Modulation » en anglais), est décrit précédemment.
Les convertisseurs alternatif-continu de type MMC présentés figures 2-a et 2-b offrent l’avantage de pouvoir facilement gérer une différence entre les intensités des courants électriques appliqués sur des premières bornes différentes de la première interface EAC (cette différence est aussi connue aussi sous l’expression « courant transitoire » ou « courant de défaut »). Le convertisseur est capable de retourner vers un état de stabilité après une variation de courant provoquant cette différence. Ceci est assuré par le dispositif de modulation qui est configuré pour mettre en œuvre un procédé convergeant vers l’annulation de la différence entre l’intensité du courant électrique des bras supérieurs et des bras inférieurs.
Pour assurer la stabilité du convertisseur pendant un phénomène transitoire indésirable qui provient du côté AC (premières bornes de la première interface EAC), le contrôle agit sur le nombre et la durée pendant laquelle les sous-modules IGBTSup1 du bras BRSup1 sont à l’état passant ou bloqué et sur le nombre et la durée pendant laquelle les sous-modules IGBTSup2 du bras BRSup2 sont à l’état passant ou bloqué.
En cas de différence de l’intensité des courants électriques appliqués sur les deuxièmes bornes de la deuxième interface EDC, les convertisseurs alternatif-continus des figure 2-a et 2-b, cette différence se propager vers la première interface EAC. Ceci est illustré sur les figures 3-a et 3-b sur lesquelles il est représenté que la différence entre les intensités des courants électriques entrant par la deuxième interface EDC traverse les diodes de roue libre (DEL1-a et DEL2-a) qui ne sont pas commandables et permettent le passage du courant, comprises dans la pluralité de dispositifs de commutation (IGBTSup1 à IGBTSup3 et IGBTInf1 à IGBTInf3) pour se retrouver sur la première interface EAC.
Dans un mode de réalisation, au moins un disjoncteur est connecté en coupure à l’une des deuxièmes bornes de la deuxième interface EDC de manière à pouvoir déconnecter la deuxième borne du réseau électrique transportant le courant continu dans le cas de détection d’une différence entre les intensités des courants électriques appliqués sur les deuxièmes bornes de la deuxième interface EDC.
Les inductances des convertisseurs alternatif-continus de la figure 2-a et 2-b peuvent par exemple être des bobines.
Une bobine aussi connue sous l’expression solénoïde, auto-inductance ou « self » (par anglicisme) comprend généralement un fil conducteur enroulé en hélice, et éventuellement un noyau en matériau ferromagnétique qui peut être un assemblage de feuilles de tôle ou un bloc de ferrite, autour duquel le fil conducteur est enroulé. Le fil de conducteur est par exemple en cuivre ou aluminium.
Dans un mode de réalisation, les bobines du convertisseur alternatif-continu comprennent chacune un fil conducteur constitué de cuivre ou d’aluminium et chaque bobine prise individuellement présente les caractéristiques suivantes :
- Résistance R=0,1Ω,
- Inductance L=300mH,
- Intensité maximale partie continue IAC= 500A en régime permanent,
- Intensité maximale partie alternative à 50Hz IDC=866,025A,
- Intensité maximale combinée sur le convertisseur Imax=1724A
- Tension maximale U = 30kV,
- Diamètre interne de l’enroulement : DI=0,95m,
- Nombre de spires de l’enroulement : 160
- Densitée de courant 3A/mm2
- Section totale de cuivre Scui=91 986mm2
- Ratio de section de cuivre par rapport à la section de l'enroulement : 50%
- Section de l'enroulement Senr=183 973mm2
- Hauteur de la bobine : hbob=0.850m
- Epaisseur de la bobine ebob=0,334m
- Diamètre interne de la bobine Dint0,950
- Diamètre moyen de l'enroulement Denr=1,284m
- Epaisseur de l'enroulement eenr=0.334m
- Hauteur de l'enroulement henr=0,550m
- Masse volumique du cuivre : MVcui=8,9 T/m3
- Masse de cuivre des six inductances Mcui=19,8T
- Résistivité du cuivre Resis=1.70E-08Ω/m
- Pertes Joule des six inductances Pert=340 760W
Dans un mode de réalisation du convertisseur alternatif-continu de type MMC proposé dans cette divulgation, les inductances des différents bras présentent un couplage magnétique. La figure 4 représente sur la partie de droite quatre exemples de couplages. Sur cette figure, la zone de gauche représente un convertisseur MMC sans couplage. Les points a, b et c sont reliés respectivement, via éventuellement des inductances et un transformateur d’isolation, aux trois phases d’un réseau électrique de courant alternatif triphasé, via les trois premières bornes de la première interface EAC. Les points ah, bh ,ch ,ab,bb ,cbsont eux reliés respectivement aux six pluralités de transistors bipolaires à grille isolée (IGBTSup1, IGBTinf1), puis les points ah, bh ,ch à l’une des deuxièmes bornes de la deuxième interface EDC et les points ab,bb ,cbvers l’autre deuxième borne de la deuxième interface EDC.
La partie 1 de la figure 4 représente un premier mode de réalisation du couplage dans lequel les inductances des bras supérieur et inférieur associées à la même phase du courant alternatif sont couplées de manière magnétique. Ainsi l’inductance IP1Sup est couplée avec l’inductance IP1Inf, l’inductance IP2Sup est couplée avec l’inductance IP2Inf et l’inductance IP3Sup est couplée avec l’inductance IP3Inf. Ce mode de réalisation permet un auto-équilibrage des courants qui circulent dans les bras supérieurs avec les courants qui circulent dans les bras inférieurs, par phase. Ce mode de réalisation permet d’avoir un convertisseur alternatif-continu qui est robuste aux courants transitoires en provenance de la première interface EAC, dans le cas d’un courant alternatif monophasé, ou en provenance de la deuxième interface EDC. En effet, un courant transitoire que subirait l’inductance IP1Sup produit une variation de son flux magnétique interne. Si l’inductance IP1Sup est couplée avec l’inductance IP1Inf, cette variation de flux introduit par induction un courant dans l’inductance IP1inf, dont l’intensité dépend des caractéristiques géométriques des deux inductances et donc le signe dépend du sens de câblage.
La partie 2 de la figure 4 représente un deuxième mode de réalisation du couplage dans lequel l’ensemble les inductances de tous les bras et toutes les phases sont couplées de manière magnétique. Ainsi chaque inductance est couplée magnétiquement avec toutes les autres inductances. Ainsi les inductances IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup et IP3Inf sont couplées ensemble. Ce mode de réalisation permet un auto-équilibrage des courants qui circulent dans tous les bras supérieurs avec les courants qui circulent dans tous les bras inférieurs, ainsi qu’un auto-équilibre entre phase. Ce mode de réalisation permet d’avoir un convertisseur alternatif-continu qui est robuste aux courants transitoires en provenance de la première interface EAC, dans le cas d’un courant alternatif monophasé ou triphasé, ainsi qu’en provenance de la deuxième interface EDC.
La partie 3 de la figure 4 représente un troisième mode de réalisation du couplage dans lequel l’inductance du bras supérieur d’une phase est reliée avec l’inductance du bras inférieur d’une autre phase. Ainsi l’inductance IP1Sup est couplée avec l’inductance IP2Inf, l’inductance IP2Sup est couplée avec l’inductance IP3Inf et l’inductance IP3Sup est couplée avec l’inductance IP1Inf. Ce mode de réalisation permet un auto-équilibrage des courants qui circulent dans les bras supérieurs avec les courants qui circulent dans les bras inférieurs, ainsi qu’un auto-équilibre entre phases. Ce mode de réalisation permet d’avoir un convertisseur alternatif-continu qui est robuste aux courants transitoires en provenance de la première interface EAC, dans le cas d’un courant alternatif monophasé, ou en provenance de la deuxième interface EDC. Ce troisième mode de réalisation est un peu plus performant que le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation pour juguler les défauts en provenance de deux des trois bornes de la première interface EAC (dits défauts bipolaires). Cependant le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation sont un peu plus performants que le troisième mode de réalisation pour juguler les défauts en provenance de la deuxième interface EDC.
La partie 4 de la figure 4 représente un quatrième mode de réalisation du couplage dans lequel les inductances des bras supérieurs des trois phases sont couplées magnétiquement entre elles et les inductances des bras inférieurs des trois phases sont couplées magnétiquement entre elles. Ainsi les inductances IP1Sup, IP2Sup et IP3Sup sont couplées ensemble. Les inductances IP1Inf, IP2Inf et IP3Inf sont couplées ensemble. Ce mode de réalisation permet un auto-équilibrage des courants qui circulent dans les bras supérieurs avec les courants qui circulent dans les bras inférieurs, ainsi qu’un auto-équilibre entre phases. Ce mode de réalisation permet d’avoir un convertisseur alternatif-continu qui est robuste aux courants transitoires en provenance de la première interface EAC, dans le cas d’un courant alternatif monophasé, ou en provenance de la deuxième interface EDC. Ce quatrième mode de réalisation, est plus performant que le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation pour juguler des défauts en provenance de deux des trois bornes de la première interface EAC (défauts dits bipolaires). Ce quatrième mode de réalisation, est plus performant que le troisième mode de réalisation pour juguler des défauts en provenance des trois bornes de la première interface EAC (défauts dits tri-polaires). Cependant le premier mode de réalisation et le deuxième mode de réalisation sont un peu plus performants que le quatrième mode de réalisation pour juguler les défauts en provenance de la deuxième interface EDC.
La stabilité du convertisseur alternatif-continu décrit précédemment repose sur la loi de Lenz. La loi de Lenz, loi de Lenz-Faraday, ou loi de Faraday, permet de rendre compte des phénomènes macroscopiques d'induction électromagnétique. Elle exprime l'apparition d'une force électromotrice (tension) dans un circuit électrique, lorsque celui-ci est immobile dans un champ magnétique variable ou lorsque le circuit est mobile dans un champ magnétique variable ou permanent. Dès l’apparition d’un transitoire électrique dans un des bras d’une des phases du convertisseur, l’inductance du bras produit un champ magnétique variable. Dans le mode de réalisation décrit figure 2-a et 2-b ce champ magnétique n’est pas exploité. Dans le mode de réalisation illustrées sur les parties 1 à 4 de la figure 4, ce champ magnétique est utilisé pour créer un courant induit dans une ou plusieurs inductances des autres bras et/ou des autres phases du convertisseur. Ceci est réalisé par le couplage magnétique de certaines inductances entre elles. Les inductances ainsi couplées magnétiquement seront le siège d’un courant induit qui circulera dans le convertisseur et assurera automatiquement la stabilité du convertisseur pendant la durée du transitoire, d’où la notion d’auto-équilibrage. Une fois le transitoire passé, le convertisseur alternatif-continu retrouvera son état normal de fonctionnement.
Dans le cas où les inductances sont des bobines, l’intensité et le signe de ce courant induit dépendent :
- de la géométrie des bobines (nombre de spires, longueurs et diamètre de l’inductance) qui caractérise la valeur de l’inductance électrique de la bobine. La valeur de cette inductance électrique est usuellement exprimée en mH,
- des dispositions de couplage entre les bobines (distance entre les bobines couplées, position spatiale des bobines l’une par rapport à l’autre [angle dans un plan par exemple], type de circuit magnétique [tôle magnétique habituellement mise en œuvre dans les transformateur, tôle amorphe, couplage dans l’air par exemple]).
En complément des avantages décrits précédemment, les convertisseurs alternatif-continus des modes de réalisation représentés sur les parties 1 à 4 de la figure 4, dans lesquels les inductances présentent un couplage magnétique, offrent les avantages suivants :
- Gain sur la stabilité et le contrôle du convertisseur : Le transfert d’une partie de l’énergie produite par le transitoire AC ou DC et son injection par induction par exemple dans le bras opposé (dans le cas 1) permet un auto-équilibrage naturel et automatique. Le contrôle du convertisseur peut alors être soulagé de cette fonction et devient moins sophistiqué. Le contrôle est alors plus disponible pour la gestion des autres paramètres et les performances de stabilité sont améliorées. Le contrôle n’a plus besoin de la fonction de gestion des défauts de DC.
- Gain sur le cout d’investissement : Lors d’un déséquilibre entre les bras supérieurs et les bras inferieurs, le transitoire en courant crée un champ magnétique dans les inductances du bras sujet au courant transitoire (monophasé dans les parties 1 et 3 de la figure 4, triphasé dans les parties 2 et 4 de la figure 4). Cela crée des courants induits dans les inductances qui sont couplées. Ce phénomène induit une consommation naturelle de l’énergie générée par le courant transitoire ce qui permet de consommer cette énergie produite par le courant transitoire et donc de sous dimensionner les composants du convertisseur, notamment les dispositifs de commutation. Cela permet de réaliser des économies sur le cout d’investissement car le convertisseur alternatif-continu est alors moins couteux à réaliser.
Les convertisseurs alternatif-continus des modes de réalisations représentés sur les parties 1 à 4 de la figure 4, offrent l’avantage de pouvoir gérer des courants transitoires venant de la première interface EAC ou de la deuxième interface EDC du convertisseur alternatif-continu sans impliquer l’arrêt du convertisseur.
Dans un mode de réalisation du convertisseur alternatif-continu, les inductances, par exemple de certains des bras inférieurs et/ou supérieurs, sont des bobines dont le fil conducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur. Le matériau supraconducteur est un matériau qui présente des caractéristiques électriques et magnétiques atypiques lorsqu’on le soumet à des températures très basses, à savoir :
- une résistance électrique quasi-nulle (donc pas de pertes Joule),
- un comportement parfaitement diamagnétique (effet Meissner), c’est-à-dire que lorsque le matériau est soumis à un champ magnétique, l’induction magnétique produite par le matériau est nulle.
Dans un mode de réalisation les bobines dont le fil conducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur ont les caractéristiques suivantes :
- Tension maximale U = 3,3kV
- Résistance R=0,001Ω,
- Intensité maximale = 5000A en régime permanent
- Consommation électrique du circuit de refroidissement <6KW
- Pertes Joule des six inductances pour I = 500A, Pert=3 407W sans le refroidissement, soit 100 fois moins que les bobines le fil conducteur n’est pas réalisé dans un matériau supraconducteur.
- Pertes Joule des six inductances pour I = 500A, Pert=27 407W avec leur refroidissement, soit 12 fois moins que les bobines dont le fil conducteur n’est pas réalisé dans un matériau supraconducteur.
L’utilisation d’un matériau supraconducteur pour la réalisation du fil conducteur de l’enroulement des bobines permet donc d’avoir des bobines présentant une résistance électrique quasi-nulle (donc pas de pertes Joule) et un comportement parfaitement diamagnétique (effet Meissner).
La figure 5 illustre l’état supraconducteur de certains matériaux pouvant être utilisés pour former le fil électrique de l’enroulement. La figure 5 représente un diagramme densité de courant J parcourant le fil électrique, le champ magnétique H généré par l’enroulement, et température T du fil électrique. Sur cette figure 5 est représentée la zone dans laquelle le matériau est dans un état supraconducteur. Sur cette figure est aussi représentée la température critique Tc en dessous de laquelle le matériau est dans un état supraconducteur.
Il existe deux catégories de matériaux supraconducteurs. Les matériaux qui présentent une basse température critique (Tc<40K) et les matériaux qui présentent une haute température critique (Tc entre 40 et 120 K).
La figure 6 représente différents matériaux ayant des propriétés supraconductrices. Sur l’axe des abscisses est représentée l’année à laquelle ces matériaux ont été découverts et sur l’axe des ordonnées la température critique de ces matériaux. A titre d’illustration, la température de l’azote liquide (77 kelvin) et celle de l’hélium liquide (4,2 kelvin) sont également indiquées.
Dans un mode de réalisation du convertisseur alternatif-continu, les enroulements des inductances mises en œuvre dans le convertisseur alternatif-continu sont réalisés dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de Cuivre (BiSrCaCuO). Ces bobines sont refroidies par un circuit cryogénique de refroidissement dans lequel circule un fluide de refroidissement, par exemple de l’azote liquide ou de l’hélium liquide. Le circuit cryogénique de refroidissement peut être ouvert et le circuit doit alors faire l’objet de remplissages réguliers pour compenser l’évaporation. Le circuit cryogénique de refroidissement peut aussi fonctionner en boucle fermée mais il faut alors lui apporter de l’énergie pour maintenir le fluide de refroidissement à la température adéquate.
L’utilisation du BiSrCaCuO pour la réalisation des enroulements des inductances offre les avantages suivants :
- Le BiSrCaCuO est bon marché en comparaison d’autres matériaux.
- Le BiSrCaCuO permet de réaliser un fil supraconducteur plus souple que les autres matériaux supra-conducteurs et permet ainsi de réaliser des enroulements destinés à être utilisés dans des convertisseurs de type MMC sans dextérité particulière ou équipement spécialisé.
Le refroidissement à l’azote liquide est beaucoup plus aisé que le refroidissement à l’hélium liquide. En effet, il est possible de refroidir le matériau supraconducteur en le plongeant dans un récipient ouvert comprenant de l’azote liquide qu’il suffit de remplir périodiquement à mesure que l’évaporation s’opère. Le récipient peut être un bac en polystyrène par exemple.
L’utilisation de bobines dont l’enroulement est réalisé dans un matériau supraconducteur permet donc les avantages suivants :
- Limiter les pertes en particulier par effet joule en effet la résistance interne d’une inductance supraconductrice est 100 fois plus faible que celle d’une inductance traditionnelle en cuivre ou en aluminium. La supraconductivité permet de réduire, voire d’annuler, les pertes produites par les inductances du convertisseur de type MMC. L’effet de limitation du courant via l’inductance serait néanmoins conservé.
- Limiter l’encombrement des bobines : en effet le volume d’une bobine supraconductrice est environ 3 fois inférieur au volume d’une bobine conventionnelle, pour des performances équivalentes, en particulier en conservant une inductance identique. La supraconductivité permettrait de réduire sensiblement la taille du convertisseur alternatif-continu de type MMC, ce qui est très attractif pour les ouvrages placés en mer (offshore en terminologie anglaise), ou encore pour des applications ferroviaires, voire aéronautiques, pour lesquelles l’encombrement des équipements embarqués est déterminant.
Il est possible de concevoir un convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant à la fois des bobines dont le fil conducteur est réalisé en utilisant un matériau supraconducteur et des bobines dont le fil conducteur est réalisé en utilisant un matériau non supraconducteur, par exemple en cuivre ou aluminium. De plus, les bobines peuvent ne pas être couplées magnétiquement entre elles, ou présenter un couplage magnétique tel que représenté sur les parties 1 à 4 de la figure 4.
Claims (9)
- Convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant :
une première interface (EAC) comprenant au moins deux premières bornes (BEAC1, BEAC2) aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant alternatif,
une deuxième interface (EDC) comprenant au moins deux deuxièmes bornes (BEDC1, BEDC2) aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant continu, et
au moins quatre bras (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2), chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras,
chaque bras comprenant une inductance (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf) et une pluralité de dispositifs de commutation (IGBTSup1, IGBTInf1, IGBTSup2, IGBTInf2) ;
dans lequel au moins deux inductances sont couplées magnétiquement entre elles. - Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 1, dans lequel
la première interface (EAC) comprend au moins trois premières bornes (BEAC1, BEAC2, BEAC3) aptes à être reliées à un réseau électrique transportant un courant alternatif triphasé,
le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant au moins six bras (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3) chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras, et
au moins deux inductances (IP1Sup, IP2Sup) de deux bras différents reliés à la même première borne étant couplées magnétiquement entre elles. - Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 1, dans lequel
la première interface (EAC) comprend au moins trois premières bornes (BEAC1, BEAC2, BEAC3) aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé,
le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant au moins six bras (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras,
chaque inductance (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup, IP3Inf) étant couplée magnétiquement avec toutes les autres inductances. - Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 1, dans lequel
la première interface (EAC) comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé,
le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant au moins six bras (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras,
au moins deux inductances (IP1Sup, IP2Inf) de deux bras différents reliés à deux premières bornes différentes et deux deuxièmes bornes différentes étant couplées magnétiquement entre elles. - Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 1, dans lequel
la première interface (EAC) comprend au moins trois premières bornes aptes à être reliées à un réseau électrique transportant le courant alternatif triphasé,
le convertisseur alternatif-continu de type MMC comprenant au moins six bras (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), chaque bras étant associé à un couple associé respectif constitué d’une des premières bornes et d’une des deuxièmes bornes, chaque bras reliant la première borne et la deuxième borne du couple associé au bras,
au moins trois inductances (IP1Sup, IP2Sup, IP3Sup) de trois bras différents reliés à une même deuxième borne étant couplées magnétiquement entre elles. - Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon l’une des revendications 1 à 5, dans lequel au moins l’une des inductances (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup, IP3Inf) est une bobine comprenant au moins un enroulement.
- Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 6, dans lequel l’enroulement est réalisé en aluminium ou cuivre.
- Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 6, dans lequel l’enroulement est réalisé dans un matériau supraconducteur, par exemple dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de Cuivre.
- Convertisseur alternatif-continu de type MMC selon la revendication 8, comprenant un circuit cryogénique de refroidissement comprenant un fluide de refroidissement, par exemple de l’azote liquide ou de l’hélium liquide, le circuit cryogénique de refroidissement étant agencé pour refroidir la bobine.
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|---|---|---|---|---|
| CN101640121B (zh) * | 2009-07-24 | 2011-07-13 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 一种紧耦合式空心高温超导电抗器 |
-
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101640121B (zh) * | 2009-07-24 | 2011-07-13 | 国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司 | 一种紧耦合式空心高温超导电抗器 |
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