FR3110304A1 - MMC type AC-DC converter - Google Patents
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
- H02M1/00—Details of apparatus for conversion
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Abstract
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 l’une des inductances est une bobine comprenant au moins un enroulement réalisé dans un matériau supraconducteur par exemple dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de Cuivre Figure pour l’abrégé : Fig. 4AC-DC converter of MMC type comprises a first interface comprising at least two first terminals capable of being connected to an electrical network carrying an alternating current, a second interface comprising at least two second terminals capable of being connected to an electrical network carrying a current continuous, and at least four arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the torque associated with the arm. Each arm includes an inductor and a plurality of switching devices. In this AC-DC converter of MMC type at least one of the inductors is a coil comprising at least one winding made of a superconducting material, for example in an alloy comprising bismuth, strontium, calcium, and sodium oxide. Copper Figure for the abstract: Fig. 4
Description
Domaine technique général et art antérieurGeneral technical field and prior art
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.This disclosure relates to the general field of energy conversion devices for industrial applications. More particularly, this disclosure relates to devices allowing the conversion of an alternating electric current into a direct electric current and vice versa. These devices for converting alternating current into direct current are also known as “AC-DC converters”. This disclosure also relates to the coils present in these AC-DC converters.
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).AC-DC converters are particularly applicable in electrical power networks. In particular in the context of high voltage direct current type links (HVDC for "High Voltage Direct Current" in English terminology) for example to connect renewable energy sources (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.Figures 1-a to 1-d represent different types of AC-DC converters. The figure 1-a represents an AC-DC converter of the converter type commutated by the lines (LCC for “Line Commutated Converter” in English) with Thyristors. Figure 1-b represents an AC-DC converter of the voltage source converter type (VSC for “Voltage-Source Converter” in English) with 2 levels of insulated gate bipolar transistors (IGBT or “Insulated Gate Bipolar Transistor” in English terminology ). Figure 1-c represents an AAC type device (for “Alternate Arm Converter” in English) with IGBT or SiC (Silicon Carbide). Figure 1-d shows another MMC converter device.
Les convertisseurs alternatif-continus à cellules dites demi-ponts connus présentent des pertes par effet Joule et un encombrement élevé.Known AC-DC converters with so-called half-bridge cells exhibit losses by Joule effect and a high bulk.
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.There is therefore a need for a new type of AC-DC converter which does not have the defect of the AC-DC converters with cells known as half-bridges.
Présentation générale de l’inventionGeneral presentation of the 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 l’une des inductances est une bobine comprenant au moins un enroulement réalisé dans un matériau supraconducteur par exemple dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de CuivreAccording to one aspect of the invention, an AC-DC converter of the MMC type is proposed. This MMC-type AC-DC converter comprises a first interface comprising at least two first terminals capable of being connected to an electrical network carrying an alternating current, a second interface comprising at least two second terminals capable of being connected to an electrical network carrying an direct current, and at least four arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm. Each arm includes an inductor and a plurality of switching devices. In this AC-DC converter of the MMC type, at least one of the inductors is a coil comprising at least one winding made of a superconducting material, for example an alloy comprising Bismuth, Strontium, Calcium, and Carbon Oxide. Copper
Ce convertisseur alternatif-continu de type MMC présente les avantages suivants :This MMC type AC-DC converter has the following advantages:
- 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.Limit the losses in particular by Joule effect indeed the internal resistance of a superconductive inductor is 100 times weaker than that of a traditional copper or aluminum inductor. Superconductivity makes it possible to reduce, or even cancel, the losses produced by the inductors of the MMC-type converter. The current limiting effect via the inductor would nevertheless be retained.
- 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.Limit the size of the coils: in fact the volume of a superconducting coil is approximately 3 times less than the volume of a conventional coil, for equivalent performance, in particular by maintaining an identical inductance. Superconductivity would make it possible to significantly reduce the size of the AC-DC converter of the MMC type, which is very attractive for structures placed at sea (offshore in English terminology), or even for railway or even aeronautical applications, for which the bulk on-board equipment is decisive.
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.In one embodiment, the AC-DC converter of the MMC type comprises a cryogenic cooling circuit comprising a cooling fluid, for example liquid nitrogen or liquid helium, the cryogenic cooling circuit being arranged to cool the coil .
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 de deux bras différents reliés à la même première borne sont couplées magnétiquement entre elles.In one embodiment, the first interface comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying a three-phase alternating current. The MMC-type AC-DC converter comprises at least six arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the associated pair to the arm, and at least two inductors of two different arms connected to the same first terminal are magnetically coupled together.
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.In one embodiment, the first interface comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying three-phase alternating current. The MMC-type AC-DC converter comprises at least six arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm, each inductance is magnetically coupled with all the other inductors.
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.In one embodiment, the first interface comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying three-phase alternating current. The MMC-type AC-DC converter comprises at least six arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm, at least two inductors of two different arms connected to two different first terminals and two different second terminals are magnetically coupled together.
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.In one embodiment, the first interface comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying three-phase alternating current. The MMC-type AC-DC converter comprises at least six arms, each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm, at least three inductors of three different arms connected to the same second terminal are magnetically coupled together.
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 :Other characteristics and advantages of the invention will emerge from the following description, which is purely illustrative and not limiting, and must be read in conjunction with the appended figures in which:
- Les figures 1-a à 1-d illustrent différents types de convertisseurs alternatif-continus.Figures 1-a to 1-d illustrate different types of AC-DC converters.
- Les figures 2-a et 2-b illustrent deux types de convertisseur alternatif-continus conformes à deux modes de réalisation de la présente divulgation.Figures 2-a and 2-b illustrate two types of AC-DC converter in accordance with two embodiments of the present disclosure.
- 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.Figures 3-a and 3-b illustrate the propagation of a fault current between the DC part and the AC part of an AC-DC converter of the MMC type.
- La figure 4 illustre différents types de couplages conformes à des modes de réalisation de la présente divulgation.Figure 4 illustrates different types of couplings according to embodiments of the present disclosure.
- La figure 5 illustre l’état supraconducteur de certains matériaux.Figure 5 illustrates the superconducting state of certain materials.
- La figure 6 représente différents matériaux ayant des propriétés supraconductrices.Figure 6 shows different materials with superconducting properties.
DescriptionDescription deof modes de mise en œuvre et de réalisationmethods of implementation and realization
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.FIGS. 2-a and 2-b represent two AC-DC converters of the modular multilevel converter type (MMC or “Modular Multilevel Converter” in English terminology) according to two embodiments of the present disclosure.
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).Figure 2-a represents a first embodiment of the AC-DC converter of the MMC type. In this embodiment, the MMC-type AC-DC converter comprises a first EAC interface connected to an electrical network carrying an alternating current and a second EDC interface connected to an electrical network carrying a direct current. In the example of figure 2-a, the first EAC interface is connected to a three-phase network comprising three phases. The first EAC interface comprises three first terminals (BEAC1 to BEAC3) for connecting the three phases of the electrical network carrying the alternating current. The second EDC interface comprises two second terminals (BEDC1 and BEDC2) connected to the electrical network carrying direct current. The alternating-direct converter of the figure 2-a includes/understands a transformer of decoupling TF. This TF decoupling transformer allows a galvanic separation between the current on the first EAC interface and the current on the second EDC interface of the AC-DC converter. This TF decoupling transformer is optional. Each phase of the three-phase network is connected to an inductor (denoted IP1 for phase 1, IP2 for phase 2 and IP3 for phase 3) then to two arms, including an upper arm (denoted BRSup1 for phase 1, BRSup2 for phase 2 and BRSup3 for phase 3) and a lower arm (denoted BRInf1 for phase 1, BRInf2 for phase 2, BRInf3 for phase 3). In the embodiment of Figure 2-a, there are three lower arms and three upper arms. There are as many upper arms as there are phases of the alternating current and therefore as first terminals (BEAC1 to BEAC3) of the first EAC interface. There are as many lower arms as there are phases of the alternating current and therefore as first terminals (BEAC1 to BEAC3) of the first EAC interface. The lower and upper arms each include a respective inductor (denoted IP1Sup for the upper arm of phase 1 and IP1Inf for the lower arm of phase 1; IP2Sup for the upper arm of phase 2 and IP2Inf for the lower arm of phase 2; IP3Sup for the upper arm of phase 3 and IP3Inf for the lower arm of phase 3). In the embodiment of Figure 2-a, the lower and upper arms include, taken together, 6 inductors. The lower and upper arms each comprise a plurality of switching devices (denoted IGBTSup1 for the upper arm of phase 1 and IGBTInf1 for the lower arm of phase 1, IGBTSup2 for the upper arm of phase 2 and IGBTInf2 for the lower arm of phase 2, IGBTSup3 for the upper arm of phase 3 and IGBTInf3 for the lower arm of phase 3). In the embodiment of Figure 2-a, 6 pluralities of switching devices are included in the set of three lower arms and three upper arms. The three upper arms (BRSup1 to BRSup3) are connected to one of the two second terminals (BEDC1) of the second EDC interface. The three lower arms (BRInf1 to BRInf3) are connected to the other of the two second terminals (BEDC2) of the second EDC interface. The role of the six inductors (IP1Sup, IP2Sup, IP3Sup, IP1Inf, IP2Inf and IP3Inf) included in the three upper arms (BRSup1 to BRSup3) and the three lower arms (BRInf1 to BRInf3) is in steady state to fix the value of the current in the three upper arms (BRSup1 to BRSup3) and the three lower arms (BRInf1 to BRInf3) and in transient state to limit the temporal variation of the current in the three upper arms (BRSup1 to BRSup3) and the three lower arms (BRInf1 to 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 :In the embodiment of Figure 2-a, each switching device of the plurality of switching devices (IGBTSup1 to IGBTSup3 and IGBTInf1 to IGBTInf3) comprises:
- 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- an assembly consisting of two insulated-gate bipolar transistors (TBIP1-a and TBIP2-a) connected in series and two free-rolling diodes (DEL1-a and DEL2-a) connected in parallel to each insulated-gate bipolar transistor ( TBIP1-a and TBIP2-a) and
- un condensateur C1-a.- a capacitor C1-a.
L’ensemble et le condensateur C1-a sont connectés en parallèle.The assembly and the capacitor C1-a are connected in parallel.
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 :The AC-DC converter of the MMC type of the second embodiment of Figure 2-b is identical to that of the first embodiment of Figure 2-a apart from the switching devices. Indeed, in the second embodiment of the AC-DC converter of the MMC type of Figure 2-b, each switching device of the plurality of switching devices (IGBTSup1 to IGBTSup3 and IGBTInf1 to IGBTInf3) comprises:
- 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) ;- a first set consisting of two insulated-gate bipolar transistors (TBIP1-1-b and TBIP2-1-b) connected in series with each other and two free-wheeling diodes (DEL1-1-a and DEL2-1-b) connected in parallel to each insulated gate bipolar transistor (TBIP1-1-b and 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) ;- a second set consisting of two insulated-gate bipolar transistors (TBIP1-2-b and TBIP2-2-b) connected in series with each other and two free-wheeling diodes (DEL1-2-a and DEL2-2-b) connected in parallel to each insulated gate bipolar transistor (TBIP1-2-b and TBIP2-2-b);
- un condensateur C1-b.- a capacitor 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.The first and second sets are connected in parallel to each other and in parallel to capacitor 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.The AC-DC device MMC of Figure 2-a is less expensive, less bulky, less complex, and produces less electrical losses than the AC-DC device MMC of 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.These alternating-direct current converters MMC make it possible to convert an alternating current entering by the first EAC interface connected to the alternating current network into a direct current leaving by the second EDC interface connected to the direct current network. These AC-DC converters MMC also make it possible to convert a direct current entering through the second EDC interface connected to the direct current network into an alternating current leaving through the first EDC interface connected to the alternating current network. These AC to DC and DC to AC conversions are performed by the successive switching of the insulated-gate bipolar transistors.
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).A suitable control device gives successive closing and opening orders to the insulated-gate bipolar transistors so as to reconstitute the desired continuous electric current in pieces. The control plays on the duration of the closing and the duration of the opening of each transistor, as well as on the choice of transistors and their number to reconstitute the desired direct electric current. This principle is called Pulse Width Modulation.
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 :These AC-DC converters previously described are advantageously used to optimize high voltage direct current (HVDC) links. In particular, they make it possible to minimize losses, limit the cost of investment (also known as CAPEX for "CAPpital EXpenditure" in English), they have high reliability, and a small footprint. The control of this type of converters is carried out using two nested regulation loops:
- 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,….An external regulation loop which allows control of the electrical quantities of the network to perform the expected function, in particular to control the DC output voltage, correct the reactive power of the alternating current Q AC , or to maintain the frequency of the alternating current f AC ,….
- Une boucle interne de régulation qui permet d’assurer la stabilité du convertisseur, son efficience en régime permanent mais aussi lors des régimes transitoires.An internal regulation loop which ensures the stability of the converter, its efficiency in steady state but also during transient states.
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.MMC AC-DC converters include a modulation device for controlling the opening or closing of the insulated-gate bipolar transistors (TBIP1-a, TPB2-b). These commands for the opening or closing of the insulated-gate bipolar transistors (TBIP1-a, TBIP2-b) are carried out by applying a current to the gate of these insulated-gate bipolar transistors. The modulation device uses information from the control loops to determine which insulated gate bipolar transistors to open or close. This principle, known as Pulse Width Modulation, is described above.
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.The AC-DC converters of the MMC type presented in Figures 2-a and 2-b offer the advantage of being able to easily manage a difference between the intensities of the electric currents applied to the first different terminals of the first EAC interface (this difference is also known also under the expression "transient current" or "fault current"). The converter is capable of returning to a stable state after a current variation causing this difference. This is ensured by the modulation device which is configured to implement a convergent process towards the cancellation of the difference between the intensity of the electric current of the upper arms and the lower arms.
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.To ensure the stability of the converter during an undesirable transient phenomenon which comes from the AC side (first terminals of the first EAC interface), the control acts on the number and the duration during which the IGBTSup1 sub-modules of the arm BRSup1 are in the state on or off and on the number and duration during which the IGBTSup2 sub-modules of the arm BRSup2 are in the on or off state.
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.In the event of a difference in the intensity of the electric currents applied to the second terminals of the second EDC interface, the AC-DC converters of the figures 2-a and 2-b, this difference is propagated towards the first EAC interface. This is illustrated in Figures 3-a and 3-b on which it is shown that the difference between the intensities of the electric currents entering through the second EDC interface crosses the freewheel diodes (DEL1-a and DEL2-a) which do not are not controllable and allow the passage of current, included in the plurality of switching devices (IGBTSup1 to IGBTSup3 and IGBTInf1 to IGBTInf3) to end up on the first EAC interface.
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.In one embodiment, at least one circuit breaker is cut-connected to one of the second terminals of the second EDC interface so as to be able to disconnect the second terminal from the electrical network carrying the direct current in the event of detection of a difference between the intensities of the electric currents applied to the second terminals of the second EDC interface.
Les inductances des convertisseurs alternatif-continus de la figure 2-a et 2-b peuvent par exemple être des bobines.The inductances of the alternating-continuous converters of the figure 2-a and 2-b can for example be coils.
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.A coil also known by the expression solenoid, self-inductance or "choke" (by Anglicism) generally comprises a conductive wire wound in a helix, and possibly a core of ferromagnetic material which can be an assembly of sheets of sheet metal or a block of ferrite, around which the conductive wire is wound. The conductor wire is for example made of copper or aluminum.
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 :In one embodiment, the coils of the AC-DC converter each comprise a conductive wire made of copper or aluminum and each coil taken individually has the following characteristics:
- Résistance R=0,1Ω,Resistance R=0.1Ω,
- Inductance L=300mH,Inductance L=300mH,
- Intensité maximale partie continue IAC= 500A en régime permanent,Maximum DC current I AC = 500A in steady state,
- Intensité maximale partie alternative à 50Hz IDC=866,025A,Maximum intensity alternating part at 50Hz I DC =866.025A,
- Intensité maximale combinée sur le convertisseur Imax=1724ACombined maximum current on the converter I max =1724A
- Tension maximale U = 30kV,Maximum voltage U = 30kV,
- Diamètre interne de l’enroulement : DI=0,95m,Internal diameter of the winding: DI=0.95m,
- Nombre de spires de l’enroulement : 160Number of winding turns: 160
- Densitée de courant 3A/mm2 Current density 3A/mm 2
- Section totale de cuivre Scui=91 986mm2 Total section of copper S cui =91 986mm 2
- Ratio de section de cuivre par rapport à la section de l'enroulement : 50%Ratio of copper section to winding section: 50%
- Section de l'enroulement Senr=183 973mm2 Section of the winding S enr =183 973mm 2
- Hauteur de la bobine : hbob=0.850mCoil height: h bob =0.850m
- Epaisseur de la bobine ebob=0,334mCoil thickness e bob =0.334m
- Diamètre interne de la bobine Dint0,950Internal coil diameter D int 0.950
- Diamètre moyen de l'enroulement Denr=1,284mMean winding diameter D enr =1.284m
- Epaisseur de l'enroulement eenr=0.334mWinding thickness e enr =0.334m
- Hauteur de l'enroulement henr=0,550mHeight of the winding h enr =0.550m
- Masse volumique du cuivre : MVcui=8,9 T/m3 Density of copper: MV cui =8.9 T/m 3
- Masse de cuivre des six inductances Mcui=19,8TCopper mass of the six inductors M cui =19.8T
- Résistivité du cuivre Resis=1.70E-08Ω/mResistivity of copper Resis=1.70E-08Ω/m
- Pertes Joule des six inductances Pert=340 760WJoule losses of the six inductors 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.In one embodiment of the AC-DC converter of the MMC type proposed in this disclosure, the inductors of the various arms have a magnetic coupling. FIG. 4 represents on the right part four examples of couplings. In this figure, the left zone represents an MMC converter without coupling. Points a, b and c are respectively connected, possibly via chokes and an isolation transformer, to the three phases of a three-phase alternating current electrical network, via the first three terminals of the first EAC interface. Points ah, bh ,vsh ,Tob,bb ,vsbare respectively connected to the six pluralities of insulated-gate bipolar transistors (IGBTSup1, IGBTinf1), then the points ah, bh ,vsh to one of the second terminals of the second EDC interface and points ab,bb ,vsbto the other second terminal of the second EDC interface.
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.Part 1 of Figure 4 shows a first embodiment of the coupling in which the inductors of the upper and lower arms associated with the same phase of the alternating current are magnetically coupled. Thus inductance IP1Sup is coupled with inductance IP1Inf, inductance IP2Sup is coupled with inductance IP2Inf and inductance IP3Sup is coupled with inductance IP3Inf. This embodiment allows self-balancing of the currents which circulate in the upper arms with the currents which circulate in the lower arms, per phase. This embodiment makes it possible to have an AC-DC converter which is robust to transient currents coming from the first EAC interface, in the case of a single-phase alternating current, or coming from the second EDC interface. Indeed, a transient current that the inductance IP1Sup would undergo produces a variation in its internal magnetic flux. If inductance IP1Sup is coupled with inductance IP1Inf, this flux variation induces a current in inductance IP1inf, the intensity of which depends on the geometric characteristics of the two inductors and therefore the sign depends on the wiring direction.
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.Part 2 of figure 4 represents a second embodiment of the coupling in which all the inductors of all the arms and all the phases are magnetically coupled. Thus each inductance is magnetically coupled with all the other inductances. Thus the inductors IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup and IP3Inf are coupled together. This embodiment allows a self-balancing of the currents which circulate in all the upper arms with the currents which circulate in all the lower arms, as well as a self-balancing between phase. This embodiment makes it possible to have an AC-DC converter which is robust to transient currents coming from the first EAC interface, in the case of a single-phase or three-phase alternating current, as well as coming from the second EDC interface.
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.Part 3 of figure 4 represents a third embodiment of the coupling in which the inductance of the upper arm of one phase is connected with the inductance of the lower arm of another phase. Thus inductance IP1Sup is coupled with inductance IP2Inf, inductance IP2Sup is coupled with inductance IP3Inf and inductance IP3Sup is coupled with inductance IP1Inf. This embodiment allows a self-balancing of the currents which circulate in the upper arms with the currents which circulate in the lower arms, as well as a self-balancing between phases. This embodiment makes it possible to have an AC-DC converter which is robust to transient currents coming from the first EAC interface, in the case of a single-phase alternating current, or coming from the second EDC interface. This third embodiment is slightly more efficient than the first embodiment and the second embodiment for suppressing the faults originating from two of the three terminals of the first EAC interface (known as bipolar faults). However, the first embodiment and the second embodiment are slightly more efficient than the third embodiment in suppressing faults coming from the second EDC interface.
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.Part 4 of FIG. 4 represents a fourth embodiment of the coupling in which the inductances of the upper arms of the three phases are magnetically coupled together and the inductances of the lower arms of the three phases are magnetically coupled together. Thus the inductors IP1Sup, IP2Sup and IP3Sup are coupled together. Inductors IP1Inf, IP2Inf and IP3Inf are coupled together. This embodiment allows a self-balancing of the currents which circulate in the upper arms with the currents which circulate in the lower arms, as well as a self-balancing between phases. This embodiment makes it possible to have an AC-DC converter which is robust to transient currents coming from the first EAC interface, in the case of a single-phase alternating current, or coming from the second EDC interface. This fourth embodiment is more efficient than the first embodiment and the second embodiment for suppressing faults coming from two of the three terminals of the first EAC interface (so-called bipolar faults). This fourth embodiment is more efficient than the third embodiment for suppressing faults coming from the three terminals of the first EAC interface (so-called tri-polar faults). However, the first embodiment and the second embodiment are slightly more efficient than the fourth embodiment in suppressing faults coming from the second EDC interface.
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.The stability of the AC-DC converter described above is based on Lenz's law. Lenz's law, Lenz-Faraday's law, or Faraday's law, makes it possible to account for the macroscopic phenomena of electromagnetic induction. It expresses the appearance of an electromotive force (voltage) in an electric circuit, when the latter is immobile in a variable magnetic field or when the circuit is mobile in a variable or permanent magnetic field. As soon as an electrical transient appears in one of the arms of one of the phases of the converter, the inductance of the arm produces a variable magnetic field. In the embodiment described in Figure 2-a and 2-b this magnetic field is not used. In the embodiment illustrated in parts 1 to 4 of FIG. 4, this magnetic field is used to create an induced current in one or more inductors of the other arms and/or of the other phases of the converter. This is achieved by the magnetic coupling of certain inductors together. The inductances thus magnetically coupled will be the seat of an induced current which will circulate in the converter and will automatically ensure the stability of the converter for the duration of the transient, hence the concept of self-balancing. Once the transient has passed, the AC-DC converter will return to its normal operating state.
Dans le cas où les inductances sont des bobines, l’intensité et le signe de ce courant induit dépendent :If the inductors are coils, the intensity and the sign of this induced current depend on:
- 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,the geometry of the coils (number of turns, length and diameter of the inductance) which characterizes the value of the electrical inductance of the coil. The value of this electrical inductance is usually expressed in 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]).coupling arrangements between the coils (distance between the coupled coils, spatial position of the coils relative to each other [angle in a plane for example], type of magnetic circuit [magnetic sheet usually implemented in transformers , amorphous sheet, coupling in air for example]).
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 :In addition to the advantages described above, the AC-DC converters of the embodiments represented in parts 1 to 4 of FIG. 4, in which the inductors have a magnetic coupling, offer the following advantages:
- 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 on the stability and control of the converter: The transfer of part of the energy produced by the AC or DC transient and its injection by induction for example in the opposite arm (in case 1) allows natural self-balancing and automatic. The converter control can then be relieved of this function and becomes less sophisticated. The control is then more available for the management of other parameters and the stability performance is improved. The control no longer needs the DC fault management function.
- 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.Gain on the investment cost: During an imbalance between the upper arms and the lower arms, the current transient creates a magnetic field in the inductors of the arm subject to the transient current (single-phase in parts 1 and 3 of the figure 4, three-phase in parts 2 and 4 of figure 4). This creates induced currents in the inductors that are coupled. This phenomenon induces a natural consumption of the energy generated by the transient current which makes it possible to consume this energy produced by the transient current and therefore to undersize the components of the converter, in particular the switching devices. This makes it possible to save on the investment cost because the AC-DC converter is then less expensive to produce.
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.The AC-DC converters of the embodiments represented in parts 1 to 4 of FIG. 4 offer the advantage of being able to manage transient currents coming from the first EAC interface or from the second EDC interface of the AC-DC converter without involving stopping the converter.
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 :In one embodiment of the AC-DC converter, the inductors, for example of some of the lower and/or upper arms, are coils whose conducting wire is made of a superconducting material. A superconducting material is a material that exhibits atypical electrical and magnetic characteristics when subjected to very low temperatures, namely:
- une résistance électrique quasi-nulle (donc pas de pertes Joule),almost zero electrical resistance (therefore no Joule losses),
- 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.a perfectly diamagnetic behavior (Meissner effect), i.e. when the material is subjected to a magnetic field, the magnetic induction produced by the material is zero.
Dans un mode de réalisation les bobines dont le fil conducteur est réalisé dans un matériau supraconducteur ont les caractéristiques suivantes :In one embodiment, the coils whose conducting wire is made of a superconducting material have the following characteristics:
- Tension maximale U = 3,3kVMaximum voltage U = 3.3kV
- Résistance R=0,001Ω,Resistance R=0.001Ω,
- Intensité maximale = 5000A en régime permanentMaximum intensity = 5000A in steady state
- Consommation électrique du circuit de refroidissement <6KWPower consumption of the cooling circuit <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.Joule losses of the six inductors for I = 500A, Pert=3,407W without cooling, i.e. 100 times less than the coils the conducting wire is not made of a superconducting material.
- 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.Joule losses of the six inductors for I = 500A, Pert=27,407W with their cooling, i.e. 12 times less than the coils whose conducting wire is not made of a superconducting material.
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).The use of a superconducting material for the realization of the conductive wire of the winding of the coils therefore makes it possible to have coils having an almost zero electrical resistance (therefore no Joule losses) and a perfectly diamagnetic behavior (Meissner effect) .
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.Figure 5 illustrates the superconducting state of some materials that can be used to form the electrical wire of the winding. Figure 5 shows a diagram of current density J running through the electric wire, the magnetic field H generated by the winding, and temperature T of the electric wire. In this figure 5 is represented the zone in which the material is in a superconducting state. This figure also shows the critical temperature Tc below which the material is in a superconducting state.
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).There are two categories of superconducting materials. Materials that have a low critical temperature (Tc<40K) and materials that have a high critical temperature (Tc between 40 and 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.Figure 6 shows different materials with superconducting properties. On the abscissa axis is represented the year in which these materials were discovered and on the ordinate axis the critical temperature of these materials. By way of illustration, the temperature of liquid nitrogen (77 kelvin) and that of liquid helium (4.2 kelvin) are also indicated.
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.In one embodiment of the AC-DC converter, the windings of the inductances used in the AC-DC converter are made of an alloy comprising Bismuth, Strontium, Calcium, and Copper Oxide (BiSrCaCuO). These coils are cooled by a cryogenic cooling circuit in which circulates a cooling fluid, for example liquid nitrogen or liquid helium. The cryogenic cooling circuit may be open and the circuit must then be filled regularly to compensate for evaporation. The cryogenic cooling circuit can also operate in a closed loop, but it must then be supplied with energy to maintain the cooling fluid at the appropriate temperature.
L’utilisation du BiSrCaCuO pour la réalisation des enroulements des inductances offre les avantages suivants :The use of BiSrCaCuO for the production of inductance windings offers the following advantages:
- Le BiSrCaCuO est bon marché en comparaison d’autres matériaux.BiSrCaCuO is inexpensive compared to other materials.
- 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.BiSrCaCuO makes it possible to produce a superconducting wire that is more flexible than other superconducting materials and thus makes it possible to produce windings intended for use in MMC type converters without special dexterity or specialized equipment.
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.Cooling with liquid nitrogen is much easier than cooling with liquid helium. In fact, it is possible to cool the superconducting material by immersing it in an open container containing liquid nitrogen, which it suffices to fill periodically as evaporation takes place. The container can be a polystyrene container for example.
L’utilisation de bobines dont l’enroulement est réalisé dans un matériau supraconducteur permet donc les avantages suivants :The use of coils whose winding is made of a superconducting material therefore allows the following advantages:
- 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.Limit the losses in particular by Joule effect indeed the internal resistance of a superconductive inductor is 100 times weaker than that of a traditional copper or aluminum inductor. Superconductivity makes it possible to reduce, or even cancel, the losses produced by the inductors of the MMC-type converter. The current limiting effect via the inductor would nevertheless be retained.
- 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.Limit the size of the coils: in fact the volume of a superconducting coil is approximately 3 times less than the volume of a conventional coil, for equivalent performance, in particular by maintaining an identical inductance. Superconductivity would make it possible to significantly reduce the size of the AC-DC converter of the MMC type, which is very attractive for structures placed at sea (offshore in English terminology), or even for railway or even aeronautical applications, for which the bulk on-board equipment is decisive.
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.
It is possible to design an AC-DC converter of the MMC type comprising both coils whose conductive wire is made using a superconductive material and coils whose conductive wire is made using a non-superconductive material, for example copper. or aluminum. In addition, the coils may not be magnetically coupled to each other, or have a magnetic coupling as shown in parts 1 to 4 of Figure 4.
Claims (6)
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 l’une des inductances (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf) est une bobine comprenant au moins un enroulement réalisé dans un matériau supraconducteur par exemple dans un alliage comprenant du Bismuth, du Strontium, du Calcium, et de l’Oxyde de CuivreMMC-type AC-DC converter comprising:
a first interface (EAC) comprising at least two first terminals (BEAC1, BEAC2) capable of being connected to an electrical network carrying an alternating current,
a second interface (EDC) comprising at least two second terminals (BEDC1, BEDC2) capable of being connected to an electrical network carrying a direct current, and
at least four arms (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2), each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm,
each arm comprising an inductor (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf) and a plurality of switching devices (IGBTSup1, IGBTInf1, IGBTSup2, IGBTInf2);
in which at least one of the inductors (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf) is a coil comprising at least one winding made of a superconducting material, for example an alloy comprising bismuth, strontium, calcium, and Copper Oxide
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.MMC-type AC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein
the first interface (EAC) comprises at least three first terminals (BEAC1, BEAC2, BEAC3) capable of being connected to an electrical network carrying a three-phase alternating current,
the MMC type AC-DC converter comprising at least six arms (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3) each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals, each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm, and
at least two inductors (IP1Sup, IP2Sup) of two different arms connected to the same first terminal being magnetically coupled together.
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.MMC-type AC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein
the first interface (EAC) comprises at least three first terminals (BEAC1, BEAC2, BEAC3) capable of being connected to an electrical network carrying three-phase alternating current,
the MMC-type AC-DC converter comprising at least six arms (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals , each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm,
each inductance (IP1Sup, IP1Inf, IP2Sup, IP2Inf, IP3Sup, IP3Inf) being magnetically coupled with all the other inductors.
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.MMC-type AC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein
the first interface (EAC) comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying the three-phase alternating current,
the MMC-type AC-DC converter comprising at least six arms (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals , each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm,
at least two inductors (IP1Sup, IP2Inf) of two different arms connected to two different first terminals and two different second terminals being magnetically coupled together.
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.MMC-type AC-DC converter according to claim 1 or 2, wherein
the first interface (EAC) comprises at least three first terminals capable of being connected to an electrical network carrying the three-phase alternating current,
the MMC-type AC-DC converter comprising at least six arms (BRSup1, BRInf1, BRSup2, BRInf2, BRSup3, BRInf3), each arm being associated with a respective associated pair consisting of one of the first terminals and one of the second terminals , each arm connecting the first terminal and the second terminal of the pair associated with the arm,
at least three inductances (IP1Sup, IP2Sup, IP3Sup) of three different arms connected to the same second terminal being magnetically coupled together.
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| CN208461715U (en) * | 2018-08-23 | 2019-02-01 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | Using the inverter of division reactance |
-
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- 2020-05-18 FR FR2004974A patent/FR3110304B1/en active Active
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| KUCKA JAKUB ET AL: "Modular Multilevel Converter With Magnetically Coupled Branch Inductors", IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, INSTITUTE OF ELECTRICAL AND ELECTRONICS ENGINEERS, USA, vol. 32, no. 9, 1 September 2017 (2017-09-01), pages 6767 - 6777, XP011647399, ISSN: 0885-8993, [retrieved on 20170424], DOI: 10.1109/TPEL.2016.2627882 * |
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