WO2015185319A1 - Systeme de conversion d'energie electrique reversible alternatif/alternatif et alternatif/continu - Google Patents

Systeme de conversion d'energie electrique reversible alternatif/alternatif et alternatif/continu Download PDF

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WO2015185319A1
WO2015185319A1 PCT/EP2015/060066 EP2015060066W WO2015185319A1 WO 2015185319 A1 WO2015185319 A1 WO 2015185319A1 EP 2015060066 W EP2015060066 W EP 2015060066W WO 2015185319 A1 WO2015185319 A1 WO 2015185319A1
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voltage
switch
frequency
connection
switches
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PCT/EP2015/060066
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Inventor
El Hadj MILIANI
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IFP Energies Nouvelles
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/297—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal for conversion of frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • 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
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Definitions

  • the present invention relates to the field of static converters for the conversion of electrical energy, particularly for high-speed and / or variable-speed electric power generation systems.
  • a static converter is a system for converting an electrical signal into another electrical signal having different characteristics.
  • a converter can be used to convert an alternating voltage into another AC voltage with a different frequency and / or amplitude, it is called an AC / AC converter.
  • a converter can be used to convert an alternating voltage into a DC voltage, which is called an AC / DC converter or AC / DC converter.
  • DC / AC reverse conversion it is called DC / AC converter.
  • a converter can convert a DC voltage into a DC voltage of different voltage, it is called DC / DC converter.
  • the converters may be reversible or non-reversible. Generally, the conversion is implemented by means of switches (switches) controlled.
  • power electronics converters are required to match the output frequency of the power distribution network.
  • the converters used comprise an AC / DC converter followed by a DC / AC converter.
  • an additional DC / DC converter must be used.
  • FIG. 1 represents an example of a system for producing electrical energy by means of a mechanical drive source according to the prior art.
  • a power generation system for example an electric machine, driven by a drive means 2, for example a turbine, provides a high-frequency three-phase AC voltage (about 2000 Hz).
  • the AC voltage 3 is converted by an AC / DC converter into a DC voltage 4.
  • the DC voltage 4 is converted into three-phase AC voltage which is adapted to the electrical distribution network at the frequency of the distribution network (about 50 Hz) by a DC / AC converter.
  • the DC voltage 4 can be converted by means of a DC / DC converter into DC voltage (for example 12 or 24 V) suitable for storage in a battery 6.
  • a capacitor 7 is placed between the AC / DC converters. and DC / AC.
  • the invention relates to a conversion system capable of reversibly converting an alternating voltage at high frequency and / or of variable frequency, ie an alternating voltage at a predetermined frequency or a DC voltage.
  • the converter comprises a matrix of controlled switches and connection means for each type of voltage.
  • the conversion system according to the invention requires a single matrix of switches, which reduces the weight, dimensions and cost of the conversion system.
  • the invention relates to an electrical energy conversion system comprising a matrix of controlled switches.
  • Said switch matrix reversibly converts an alternating voltage of high frequency and / or variable frequency into either an alternating voltage of a predetermined frequency or a DC voltage, said switches comprising at least one connection means of said high and / or variable frequency AC voltage, at least one means for connecting said predetermined frequency AC voltage and at least two means for connecting said DC voltage.
  • said matrix of switches comprises:
  • a conversion arm connected to said connection means of said high frequency and / or variable frequency AC voltage, said conversion arm comprising two switches connected in parallel: a first switch being connected to a first connection branch, and a second switch being connected; to a second connection branch,
  • connection means of said predetermined frequency AC voltage being directly connected to said first connection branch.
  • said converter comprises N connection means of said high frequency and / or variable AC voltage
  • said switching matrix comprises N conversion arms for each connection means of said predetermined frequency AC voltage
  • said converter comprises six means for connecting said high frequency and / or variable frequency AC voltage and means for connecting said predetermined frequency AC voltage and said matrix of switches comprises six conversion arms.
  • said first switch of said conversion arm is reversible.
  • said second switch of said conversion arm may be irreversible.
  • said switch disposed between said first connection branch and said first connection means of said DC voltage may be a reversible switch.
  • said switch disposed between said second connection branch and said second connection means of said DC voltage is an irreversible switch.
  • said predetermined frequency AC voltage is a voltage of an electrical distribution network.
  • control of said switch matrix is based on a cosine modulation wave.
  • said conversion system comprises a power generation system, a system for storing electrical energy, and a connection to an electrical distribution network, said connection means of said AC voltage of high frequency and / or variable being connected to said power generation system, said connection means of said predetermined frequency AC voltage being connected to said electrical distribution network and said connecting means of said DC voltage being connected to said power storage system; electrical energy.
  • said energy production system is an electric machine connected to a turbine, preferably a micro-turbine, or to a wind turbine, or is an electric machine of a vehicle, in particular terrestrial, aeronautical or naval.
  • Figure 1 already described, illustrates a conversion system according to the prior art.
  • FIG. 2 illustrates a conversion system according to the invention.
  • FIG. 3 illustrates a matrix converter according to the invention.
  • FIG. 4 represents a conversion system according to the invention provided with means for controlling the converter.
  • FIG. 5 represents an exemplary embodiment of a reversible switch.
  • FIG. 6 represents an exemplary embodiment of an irreversible switch.
  • the present invention relates to a matrix converter of electrical energy able to reversibly convert a high frequency alternating voltage and / or variable frequency into an alternating voltage at a predetermined frequency and a DC voltage.
  • the converter is called matrix because it has a matrix of controlled switches, the control of which can generate the desired voltages (alternatives or continuous).
  • a matrix of switches (also called switching matrix) is a set of switches, which can be connected in series and / or in parallel.
  • a switch is a switch to open or close part of the circuit. The switch control is therefore an opening command or the closing of the switch.
  • FIGS. 5 and 6 schematize two conventional embodiments of switches that can be used by the converter according to the invention.
  • Figure 5 illustrates a reversible switch 10 consisting of two diodes 14, which respectively allow the passage of the current in one direction and two controlled elements 13 which open or close the circuit.
  • the controls of the controlled elements are complementary.
  • the reversible switch 10 is formed of two parallel branches each comprising a diode 14 in series with a controlled element 13, the diodes 14 being in opposite directions.
  • the controlled elements 13 may be insulated gate field effect transistors more commonly known as Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) for low and medium powers, or insulated gate bipolar transistors known as IGBTs. English Insulated Gate Bipolar Transistor) for high powers.
  • Figure 6 illustrates a non-reversible switch 1 1 consisting of a diode 14, which allows the passage of the current in one direction and a controlled element 13 which opens or closes the circuit. For the non-reversible switch 1 1, the diode 14 and the controlled element 13 are connected in series.
  • the converter according to the invention may comprise other variants of the switches.
  • a conversion is said to be reversible if the inverse conversion can be implemented by the same converter.
  • the converter according to the invention is able to implement the following conversions:
  • the static matrix converter according to the invention is capable of reversibly converting an alternating voltage of high and / or variable frequency, preferably generated by a power generation system, such as an electric machine operating as an alternating voltage generator. a predetermined frequency, preferably an electrical distribution network voltage, such as the EDF ® network, which is conventionally a 220V network at 50 Hz.
  • the converter according to the invention is able to reversibly convert the alternating voltage of high frequency and / or variable in DC voltage, in particular voltage that can be stored in an electrical energy storage system such as a battery.
  • the converter comprises at least one means for connecting the alternating voltage of high and / or variable frequency, at least one connection means of the predetermined frequency AC voltage and at least two means for connecting the DC voltage.
  • the matrix converter comprises means for connecting the high frequency AC voltage for each phase of this voltage.
  • the frequency of a voltage is said to be high when it is greater than a frequency of an electrical distribution network.
  • the frequency of the voltage supplied by an electric machine is between 50 and 5000 Hz (depending on its speed and the number of pairs of poles), which is high compared to the frequency of the electrical distribution network of 50 or 60 Hz.
  • a high frequency or high frequency is a frequency that exceeds the frequency of the distribution network.
  • FIG. 2 represents a nonlimiting example of a conversion system according to the invention.
  • a power generation system 1 for example an electric machine driven by a drive means 2, in particular a turbine, provides a high frequency (about 2000 Hz) and / or variable frequency AC voltage.
  • the AC voltage 3 is converted by a single converter 8 either DC voltage 9 or alternating voltage of predetermined constant frequency 5 (about 50 Hz).
  • the converter 8 according to the invention makes it possible to convert either a DC voltage 9 or an alternating voltage of predetermined constant frequency 5 into alternating voltage at high frequency and / or at variable frequency 3.
  • the alternating voltage at high frequency or at variable frequency 3 is a three-phase voltage
  • the predetermined frequency AC voltage is a three-phase voltage.
  • the number of phases can vary: the number of phases of the energy production system can have a number of phases of multiple three, for example three, six, nine, twelve ... phases, and the number of phases of the predetermined frequency AC voltage can be one, two or three.
  • the conversion system according to the invention requires a single converter, that is to say a single conversion matrix, therefore the weight, cost and size are limited.
  • the conversion system according to the invention has no capacitor.
  • the AC voltage for the electrical distribution network is little parasitized because no intermediate conversion is performed, therefore, no filtering is necessary or limited filtering can be performed before injection on the electrical distribution network.
  • the converter according to the invention makes it possible to store the electrical energy generated by the drive means 2, to inject the electrical energy generated in the distribution network, to supply the drive means 2 with the storage means of energy 6 or by the distribution network 5.
  • the switch matrix of the matrix converter comprises: at least one conversion arm connected to the connection means of the high-frequency alternating voltage or of variable frequency, the conversion arm comprises two switches mounted in antiparallel: a first switch being connected to a first connection branch, and a second switch being connected to a second connection branch, advantageously, the switch matrix comprises a conversion arm for each phase of the high frequency and / or frequency alternating voltage variable.
  • the switching matrix comprises a conversion arm per phase output; a switch disposed between the first connection branch and a first DC voltage connection means;
  • connection means of the predetermined frequency AC voltage is connected directly to the first connection branch.
  • a set of switches connected to a single phase of the connection means of the alternating voltage at high frequency or of variable frequency is called a conversion arm.
  • each conversion arm comprises two anti-parallel switches connected to different connection branches.
  • a connection branch is a portion of the power electronics circuit that connects a plurality of circuit elements to each other.
  • a branch corresponds to a node of the electrical circuit.
  • the voltage of a branch is the sum of the tensions of the elements connected to this branch.
  • FIG. 3 represents a switching matrix according to one nonlimiting embodiment of the invention.
  • the switching matrix 8 is connected to six means for connecting the alternating voltage of high frequency or of variable frequency, each of the six connection means is connected to one of the six phases 15 of the power generation system. electric 1.
  • On each connection means is connected a conversion arm 16.
  • Each conversion arm 16 comprises a first switch 10 connected to a first connection branch 19 and a second switch 1 1 connected to a second connection branch 20.
  • the first branch of connection 19 is connected directly to the connection means of the alternating voltage of the distribution network 5.
  • the switching matrix also comprises a switch 17 arranged between the first connection branch 19 and a first DC voltage connection means and a switch 18 disposed between the second connection branch 20 and a second DC voltage connection means.
  • a means for storing electrical energy 6, in particular an electric battery, is connected to the two DC voltage connection means.
  • the positive terminal (+) of the battery 6 is connected to the connection branch 19 by means of the switch 17 and the negative terminal (-) of the battery 6 is connected to the connection branch 20 by means of the switch 18
  • the switching matrix illustrated in FIG. 3 thus comprises 14 switches.
  • the number of phases of the electric power generation system may vary; preferably, the number of phases is a multiple of three and can be 3, 6, 9, 12 ...
  • the number of conversion arms of the matrix of switches is equal to the number of phases of the production system energy.
  • the number of phases of the electrical energy distribution network can also vary, typically, this number is between one and three.
  • the switching matrix comprises an additional phase connection branch.
  • all the switches of the switching matrix are reversible switches, in order to be able to carry out the reversals AC / DC and AC / AC of the converter.
  • the first switches 10 of the conversion arms 16 are reversible switches
  • the second switches 11 of the conversion arms 16 are irreversible switches
  • the switch 17 disposed between the first branch 19 and the first DC voltage connection means is a reversible switch
  • the switch 18 disposed between the second connection branch 20 and the second DC voltage connection means is an irreversible switch.
  • the reversible switches can be made according to the embodiment of FIG. 5 and the irreversible switches can be made according to the embodiment of FIG. 6.
  • the two reversals AC / DC and AC / AC of the converter are provided with a limited number of reversible switch, which allows to limit the cost of the matrix converter.
  • Control means make it possible to control the switches of the switching matrix so as to generate the desired voltages: either a DC voltage, either an alternating voltage suitable for being injected into the distribution network, or an alternating voltage suitable for controlling an electric machine.
  • the control means can take into account the following parameters: the voltage and the intensity of the power generation system, the frequency of the power distribution network, the active power and the reactive power.
  • the control means also take into account the operating mode of the power generation system: motor mode or generator mode.
  • the switch control may be based on a cosine modulation wave to adjust the output frequency of the matrix converter and to regulate the active and reactive powers of the network.
  • FIG. 4 illustrates a matrix converter provided with control means.
  • a power generation system for example an electric machine driven by a drive means 2, in particular a turbine, provides a high frequency (about 2000 Hz) and / or variable frequency AC voltage.
  • the AC voltage 3 is converted by a single converter 8 either DC voltage 9 or alternating voltage of predetermined constant frequency 5 (about 50 Hz).
  • the converter 8 according to the invention makes it possible to convert either a DC voltage 9 or an alternating voltage of predetermined constant frequency 5 into alternating voltage at high frequency and / or at variable frequency 3.
  • the converter 8 comprises a switching matrix which is controlled by the control means 12.
  • the control means 12 take into consideration the voltage V and the intensity I of the AC voltage 3, the frequency f and the active powers P and reactive Q of the AC voltage 5 as well as the operating mode M (motor or generator) of the power generation system 1.
  • the static matrix converter according to the invention has a double reversibility and provides two essential functions in a system for producing electrical energy that are: the adaptation of the output frequency to that of the network with adjustment of the active and reactive powers and the controlling the electric machine, in particular to ensure the start of the mechanical drive source.
  • the invention finds application in electrical energy production systems, for example for electric power generation systems by means of a turbine or a micro-turbine, or by means of a wind turbine.
  • the electrical energy supplied by a turbine, micro-turbine or wind turbine is a high frequency alternating voltage and / or variable frequency.
  • this AC voltage is converted into DC voltage for storage or for use, or is converted into AC voltage adapted to be injected into an electrical distribution network.
  • the static converter provides electrical energy to the electrical machine in particular to ensure its startup.
  • Another application of the static converter according to the invention is the embedded use, in particular within a vehicle, in particular terrestrial, aeronautical or naval.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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  • Ac-Ac Conversion (AREA)

Abstract

L'invention concerne un système de conversion apte à convertir de manière réversible une tension alternative à haute fréquence et/ou de fréquence variable (3) soit une tension alternative à une fréquence prédéterminée (5) soit en une tension continue (9). Le système de conversion comprend une matrice de commutateurs (8) commandés comportant des moyens de connexion pour chaque type de tension.

Description

SYSTEME DE CONVERSION D'ENERGIE ELECTRIQUE REVERSIBLE
ALTERNATIF/ALTERNATIF ET ALTERNATIF/CONTINU
La présente invention concerne le domaine des convertisseurs statiques pour la conversion de l'énergie électrique, notamment pour les systèmes de production d'énergie électrique à haute vitesse et/ou à vitesse variable.
Un convertisseur statique est un système permettant de convertir un signal électrique en un autre signal électrique possédant des caractéristiques différentes. Par exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une autre tension alternative avec une fréquence et/ou une amplitude différente, on parle alors de convertisseur alternatif/alternatif ou AC/AC. Selon un autre exemple, un convertisseur peut permettre de convertir une tension alternative en une tension continue, on parle alors de convertisseur alternatif/continu ou AC/DC. Pour la conversion inverse continu/alternatif, on parle de convertisseur DC/AC. Selon un dernier exemple, un convertisseur peut convertir une tension continue en une tension continue de tension différente, on parle alors de convertisseur DC/DC. Les convertisseurs peuvent être réversibles ou non réversibles. Généralement, la conversion est mise en œuvre au moyen de commutateurs (interrupteurs) commandés.
Dans les systèmes de production d'énergie électrique à haute vitesse et/ou à vitesse variable, des convertisseurs d'électronique de puissance sont indispensables pour adapter la fréquence de sortie du réseau de distribution électrique. Généralement, les convertisseurs utilisés comportent un convertisseur AC/DC suivi d'un convertisseur DC/AC. De plus, si l'on souhaite stocker une partie de l'énergie électrique ou si l'on souhaite aider au démarrage du système de production d'énergie électrique, un convertisseur supplémentaire DC/DC doit être utilisé.
La figure 1 représente un exemple de système de production d'énergie électrique au moyen d'une source d'entraînement mécanique selon l'art antérieur. Un système de production d'énergie 1 , par exemple une machine électrique, entraîné par un moyen d'entraînement 2, par exemple une turbine, fournit une tension électrique 3 alternative triphasée à fréquence élevée (environ 2000 Hz). La tension alternative 3 est convertie par un convertisseur AC/DC en une tension continue 4. La tension continue 4 est convertie en tension alternative triphasée 5 qui est adaptée au réseau de distribution électrique à la fréquence du réseau de distribution (environ 50 Hz) par un convertisseur DC/AC. En outre, la tension continue 4 peut être convertie au moyen d'un convertisseur DC/DC en tension continue (par exemple 12 ou 24 V) apte à être stockée dans une batterie 6. Un condensateur 7 est placé entre les convertisseurs AC/DC et DC/AC.
Un tel système de conversion nécessite donc trois convertisseurs, ce qui pose des problèmes de poids, de volume et de coût. En effet, chaque convertisseur nécessite des capteurs, une unité de commande, des dissipateurs thermiques. De plus, ce système de conversion nécessite un condensateur, ce qui augmente le volume et le poids du système de conversion. En outre, la tension alternative générée est parasitée, elle nécessite un filtrage avant injection sur le réseau de distribution. Ce filtrage présente un surcoût et une augmentation des dimensions du système de conversion. En outre, les demandes de brevet US 2010/0091534, US 7675271 et FR 2834828 (US
2003160516) décrivent des systèmes de conversion pour un système de production d'énergie électrique. Toutefois, les systèmes de conversion décrits dans ces documents ne permettent pas une double réversibilité : une réversibilité d'une conversion AC/AC et une réversibilité d'une conversion AC/DC.
L'invention concerne un système de conversion apte à convertir de manière réversible une tension alternative à haute fréquence et/ou de fréquence variable soit une tension alternative à une fréquence prédéterminée soit en une tension continue. Le convertisseur comprend une matrice de commutateurs commandés et des moyens de connexion pour chaque type de tension. Ainsi, le système de conversion selon l'invention nécessite une seule matrice de commutateurs, ce qui permet de réduire le poids, les dimensions et le coût du système de conversion.
Le système selon l'invention
L'invention concerne un système de conversion d'énergie électrique comportant une matrice de commutateurs commandés. Ladite matrice de commutateurs convertit de manière réversible une tension alternative de fréquence élevée et/ou variable soit en tension alternative d'une fréquence prédéterminée, soit en tension continue, ladite matrice de commutateurs comprenant au moins un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable, au moins un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée et au moins deux moyens de connexion de ladite tension continue.
Selon l'invention, ladite matrice de commutateurs comprend :
un bras de conversion relié audit moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable, ledit bras de conversion comprenant deux commutateurs montés en parallèle : un premier commutateur étant relié à une première branche de connexion, et un deuxième commutateur étant relié à une deuxième branche de connexion,
- un commutateur disposé entre ladite première branche de connexion et un premier moyen de connexion de ladite tension continue,
- un commutateur disposé entre ladite deuxième branche de connexion et un deuxième moyen de connexion de ladite tension continue, et
ledit moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée étant relié directement à ladite première branche de connexion.
Selon un aspect de l'invention, ledit convertisseur comprend N moyens de connexion de ladite tension alternative à fréquence élevée et/ou variable, et ladite matrice de commutation comprend N bras de conversion pour chaque moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée.
Avantageusement, ledit convertisseur comprend six moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable et un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée et ladite matrice de commutateurs comprend six bras de conversion.
Selon une caractéristique de l'invention, ledit premier commutateur dudit bras de conversion est réversible.
De plus, ledit deuxième commutateur dudit bras de conversion peut être irréversible. En outre, ledit commutateur disposé entre ladite première branche de connexion et ledit premier moyen de connexion de ladite tension continue peut être un commutateur réversible.
De préférence, ledit commutateur disposé entre ladite deuxième branche de connexion et ledit deuxième moyen de connexion de ladite tension continue est un commutateur irréversible.
Selon une variante de réalisation, ladite tension alternative de fréquence prédéterminée est une tension d'un réseau de distribution électrique.
De manière avantageuse, la commande de ladite matrice de commutateurs est basée sur une onde de modulation en cosinus.
Selon un aspect de l'invention, ledit système de conversion comprend un système de production d'énergie, un système de stockage de l'énergie électrique, et une connexion à un réseau de distribution électrique, lesdits moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable étant reliés audit système de production d'énergie, lesdits moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée étant reliés audit réseau de distribution électrique et lesdits moyens de connexion de ladite tension continue étant reliés audit système de stockage de l'énergie électrique.
Avantageusement, ledit système de production d'énergie est une machine électrique reliée à une turbine, de préférence une micro-turbine, ou à une éolienne, ou est une machine électrique d'un véhicule, notamment terrestre, aéronautique ou naval.
Présentation succincte des figures
D'autres caractéristiques et avantages du procédé selon l'invention, apparaîtront à la lecture de la description ci-après d'exemples non limitatifs de réalisations, en se référant aux figures annexées et décrites ci-après.
La figure 1 , déjà décrite, illustre un système de conversion selon l'art antérieur.
La figure 2 illustre un système de conversion selon l'invention.
La figure 3 illustre un convertisseur matriciel selon l'invention. La figure 4 représente un système de conversion selon l'invention pourvu de moyens de commandes du convertisseur.
La figure 5 représente un exemple de réalisation d'un commutateur réversible.
La figure 6 représente un exemple de réalisation d'un commutateur irréversible.
Description détaillée de l'invention
La présente invention concerne un convertisseur matriciel d'énergie électrique apte à convertir de manière réversible une tension alternative à haute fréquence et/ou de fréquence variable en une tension alternative à une fréquence prédéterminée et en une tension continue.
Le convertisseur est dit matriciel car il possède une matrice de commutateurs commandés, dont la commande permet de générer les tensions souhaitées (alternatives ou continues). Une matrice de commutateurs (également appelée matrice de commutation) est un ensemble de commutateurs, pouvant être montés en série et/ou en parallèle. Un commutateur est un interrupteur permettant d'ouvrir ou de fermer une partie du circuit. La commande du commutateur est donc une commande d'ouverture ou de la fermeture de l'interrupteur. Les figures 5 et 6 schématisent deux exemples classiques de réalisation de commutateurs pouvant être utilisés par le convertisseur selon l'invention. La figure 5 illustre un commutateur réversible 10 constitué de deux diodes 14, qui laissent respectivement le passage du courant dans un seul sens et deux éléments commandés 13 qui ouvrent ou ferment le circuit. Pour la variante de réalisation de la figure 5, les commandes des éléments commandés sont complémentaires. Le commutateur réversible 10 est formé de deux branches parallèles comprenant chacune une diode 14 en série avec un élément commandé 13, les diodes 14 étant de sens opposés. Les éléments commandés 13 peuvent être des transistors à effet de champ à grille isolée plus couramment nommés MOSFET (acronyme anglais de « Métal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ») pour les faibles et moyennes puissances ou des transistors bipolaires à grille isolée appelés IGBT (de l'anglais Insulated Gâte Bipolar Transistor) pour les fortes puissances. La figure 6 illustre un commutateur non réversible 1 1 constitué d'une diode 14, qui laisse le passage du courant dans un seul sens et d'un élément commandé 13 qui ouvre ou ferme le circuit. Pour le commutateur non réversible 1 1 , la diode 14 et l'élément commandé 13 sont montés en série. Le convertisseur selon l'invention peut comprendre d'autres variantes de réalisation des commutateurs.
Une conversion est dite réversible si la conversion inverse peut être mise en œuvre par le même convertisseur. Ainsi le convertisseur selon l'invention est apte à mettre en œuvre les conversions suivantes :
- conversion de tension alternative haute fréquence et/ou de fréquence variable en tension alternative de fréquence constante prédéterminée,
- conversion de tension alternative de fréquence constante prédéterminée en tension alternative haute fréquence et/ou de fréquence variable,
- conversion de tension alternative haute fréquence et/ou de fréquence variable en tension continue, et
- conversion de tension continue en tension alternative haute fréquence et/ou de fréquence variable. Le convertisseur statique matriciel selon l'invention est apte à convertir de manière réversible une tension alternative de fréquence élevée et/ou variable, de préférence générée par un système de production d'énergie, telle qu'une machine électrique fonctionnant en générateur en tension alternative d'une fréquence prédéterminée, de préférence une tension de réseau de distribution électrique, tel que le réseau EDF ®, qui est classiquement un réseau 220V à 50 Hz. En outre, le convertisseur selon l'invention est apte à convertir de manière réversible la tension alternative de fréquence élevée et/ou variable en tension continue, notamment en tension pouvant être stockée dans un système de stockage d'énergie électrique tel qu'une batterie. Ainsi, le convertisseur comprend au moins un moyen de connexion de la tension alternative de fréquence élevée et/ou variable, au moins un moyen de connexion de la tension alternative de fréquence prédéterminée et au moins deux moyens de connexion de la tension continue. De préférence, le convertisseur matriciel comprend un moyen de connexion de la tension alternative de fréquence élevée pour chaque phase de cette tension. La fréquence d'une tension est dite élevée lorsqu'elle est supérieure à une fréquence d'un réseau de distribution électrique. Typiquement, la fréquence de la tension fournie par une machine électrique est comprise entre 50 et 5000 Hz (en fonction de sa vitesse et son nombre de paires de pôles), ce qui est élevé par rapport à la fréquence du réseau de distribution électrique de 50 ou 60 Hz. On appelle haute fréquence ou fréquence élevée, une fréquence qui dépasse la fréquence du réseau de distribution. La figure 2 représente un exemple non limitatif de système de conversion selon l'invention. Un système de production d'énergie 1 , par exemple une machine électrique entraînée par un moyen d'entraînement 2, notamment une turbine, fournit une tension électrique 3 alternative à fréquence élevée (environ 2000 Hz) et/ou à fréquence variable. La tension alternative 3 est convertie par un seul convertisseur 8 soit en tension continue 9, soit en tension alternative de fréquence constante prédéterminée 5 (environ 50 Hz). De plus, le convertisseur 8 selon l'invention permet de convertir soit une tension continue 9, soit une tension alternative de fréquence constante prédéterminée 5 en tension alternative à fréquence élevée et/ou à fréquence variable 3. Telle qu'illustrée sur la figure 2, la tension alternative à fréquence élevée ou à fréquence variable 3 est une tension triphasée, la tension alternative à fréquence prédéterminée 5 est une tension triphasée. Selon des variantes de réalisation non représentées, le nombre de phases peut varier : le nombre de phases du système de production d'énergie peut posséder un nombre de phases multiples de trois, par exemple trois, six, neuf, douze... phases, et le nombre de phases de la tension alternative à fréquence prédéterminée peut être de une, deux ou trois.
Le système de conversion selon l'invention nécessite un seul convertisseur, c'est-à-dire une seule matrice de conversion, par conséquent le poids, le coût et l'encombrement sont limités. De plus, le système de conversion selon l'invention ne comporte aucun condensateur. En outre, la tension alternative destinée au réseau de distribution électrique est peu parasitée, car aucune conversion intermédiaire n'est réalisée, par conséquent, aucun filtrage n'est nécessaire ou un filtrage limité peut être réalisé avant injection sur le réseau de distribution électrique.
Le convertisseur selon l'invention permet de stocker l'énergie électrique générée par le moyen d'entraînement 2, d'injecter l'énergie électrique générée dans le réseau de distribution, d'alimenter le moyen d'entraînement 2 par le moyen de stockage d'énergie 6 ou par le réseau de distribution 5.
Selon l'invention, la matrice de commutateurs du convertisseur matriciel comprend : au moins un bras de conversion relié au moyen de connexion de la tension alternative haute fréquence ou de fréquence variable, le bras de conversion comprend deux commutateurs montés en anti-parallèle : un premier commutateur étant relié à une première branche de connexion, et un deuxième commutateur étant relié à une deuxième branche de connexion, de manière avantageuse, la matrice de commutateurs comprend un bras de conversion pour chaque phase de la tension alternative à haute fréquence et/ou de fréquence variable. Dans le cas où le réseau de distribution électrique comporte plusieurs phases, la matrice de commutation comporte un bras de conversion par phase en sortie ; un commutateur disposé entre la première branche de connexion et un premier moyen de connexion de la tension continue ;
un commutateur disposé entre la deuxième branche de connexion et un deuxième moyen de connexion de la tension continue, et
le moyen de connexion de la tension alternative de fréquence prédéterminée est relié directement à la première branche de connexion.
On appelle bras de conversion un ensemble de commutateurs reliés à une seule phase des moyens de connexion de la tension alternative à haute fréquence ou de fréquence variable. Selon l'invention, chaque bras de conversion comprend deux commutateurs en anti-parallèles et reliés à des branches de connexion différentes.
Une branche de connexion est une portion du circuit d'électronique de puissance qui permet de relier plusieurs éléments du circuit entre eux. Une branche correspond à un nœud du circuit électrique. Ainsi, la tension d'une branche est la somme des tensions des éléments reliés à cette branche.
La figure 3 représente une matrice de commutation selon un mode de réalisation non limitatif de l'invention. Telle qu'illustrée, la matrice de commutation 8 est reliée à six moyens de connexion de la tension alternative de fréquence haute ou de fréquence variable, chacun des six moyens de connexion est connecté à une des six phases 15 du système de production d'énergie électrique 1 . Sur chaque moyen de connexion est relié un bras de conversion 16. Chaque bras de conversion 16 comporte un premier commutateur 10 relié à une première branche de connexion 19 et un deuxième commutateur 1 1 relié à une deuxième branche de connexion 20. La première branche de connexion 19 est reliée directement au moyen de connexion de la tension alternative du réseau de distribution 5. La matrice de commutation comprend également un commutateur 17 disposé entre la première branche de connexion 19 et un premier moyen de connexion de tension continue et un commutateur 18 disposé entre la deuxième branche de connexion 20 et un deuxième moyen de connexion de tension continue. Tel qu'illustré, un moyen de stockage de l'énergie électrique 6, notamment une batterie électrique, est reliée aux deux moyens de connexion de tension continue. De préférence, la borne positive (+) de la batterie 6 est reliée à la branche de connexion 19 au moyen du commutateur 17 et la borne négative (-) de la batterie 6 est reliée à la branche de connexion 20 au moyen du commutateur 18. La matrice de commutation illustrée à la figure 3 comporte donc 14 commutateurs.
Le nombre de phases du système de production d'énergie électrique peut varier ; de préférence, le nombre des phases est un multiple de trois et peut être 3, 6, 9, 12... Dans ce cas, le nombre de bras de conversion de la matrice de commutateurs est égal au nombre de phases du système de production d'énergie. En outre, le nombre de phases du réseau de distribution d'énergie électrique peut également varier, classiquement, ce nombre est compris entre un et trois. Dans ce cas la matrice de commutation comporte une branche de connexion par phase supplémentaire.
Selon une première variante de réalisation de l'invention, tous les commutateurs de la matrice de commutation sont des commutateurs réversibles, afin de pouvoir réaliser les réversibilités AC/DC et AC/AC du convertisseur.
Selon une deuxième variante de réalisation de l'invention, les premiers commutateurs 10 des bras de conversion 16 sont des commutateurs réversibles, les deuxièmes commutateurs 1 1 des bras de conversion 16 sont des commutateurs irréversibles, le commutateur 17 disposé entre la première branche 19 et le premier moyen de connexion de tension continu est un commutateur réversible et le commutateur 18 disposé entre la deuxième branche de connexion 20 et le deuxième moyen de connexion de tension continue est un commutateur irréversible. Les commutateurs réversibles peuvent être réalisés selon le mode de réalisation de la figure 5 et les commutateurs irréversibles peuvent être réalisés selon le mode de réalisation de la figure 6. Ainsi, les deux réversibilités AC/DC et AC/AC du convertisseur sont assurées avec un nombre limité de de commutateur réversible, ce qui permet de limiter le coût du convertisseur matriciel.
Des moyens de commande permettent de commander les commutateurs de la matrice de commutation de manière à générer les tensions souhaitées : soit une tension continue, soit une tension alternative apte à être injectée sur le réseau de distribution, soit une tension alternative apte à commander une machine électrique. Les moyens de commandes peuvent prendre en compte les paramètres suivants : la tension et l'intensité du système de production d'énergie, la fréquence du réseau de distribution d'énergie, la puissance active et la puissance réactive. Les moyens de commande prennent également en compte le mode de fonctionnement du système de production d'énergie : mode moteur ou mode générateur. La commande des commutateurs peut être basée sur une onde de modulation en cosinus pour régler la fréquence de sortie du convertisseur matriciel et pour réguler les puissances active et réactive du réseau.
La figure 4 illustre un convertisseur matriciel pourvu de moyens de commandes. Un système de production d'énergie 1 , par exemple une machine électrique entraînée par un moyen d'entraînement 2, notamment une turbine, fournit une tension électrique 3 alternative à fréquence élevée (environ 2000 Hz) et/ou à fréquence variable. La tension alternative 3 est convertie par un seul convertisseur 8 soit en tension continue 9, soit en tension alternative de fréquence constante prédéterminée 5 (environ 50 Hz). De plus, le convertisseur 8 selon l'invention permet de convertir soit une tension continue 9 soit une tension alternative de fréquence constante prédéterminée 5 en tension alternative à fréquence élevée et/ou à fréquence variable 3. Le convertisseur 8 comporte une matrice de commutation qui est pilotée par les moyens de commandes 12. Les moyens de commande 12 prennent en considération la tension V et l'intensité I de la tension alternative 3, la fréquence f et les puissances actives P et réactives Q de la tension alternative 5 ainsi que le mode de fonctionnement M (moteur ou générateur) du système de production d'énergie 1 . Le convertisseur statique matriciel selon l'invention possède une double réversibilité et assure deux fonctions essentielles dans un système de production d'énergie électrique que sont : l'adaptation de la fréquence de sortie à celle du réseau avec réglage des puissances active et réactive et le pilotage de la machine électrique, notamment pour assurer le démarrage de la source d'entraînement mécanique.
Ainsi, l'invention trouve une application dans les systèmes de production d'énergie électrique, par exemple pour les systèmes de production d'énergie électrique au moyen d'une turbine ou une micro-turbine, ou au moyen d'une éolienne. L'énergie électrique fournie par une turbine, micro-turbine ou une éolienne est une tension alternative à haute fréquence et/ou de fréquence variable. Au moyen du convertisseur, cette tension alternative est convertie en tension continue en vue de son stockage ou en vue de son utilisation, ou est convertie en tension alternative adaptée à être injectée dans un réseau de distribution électrique. De plus, le convertisseur statique permet d'apporter de l'énergie électrique à la machine électrique afin notamment d'assurer son démarrage.
Une autre application du convertisseur statique selon l'invention est l'utilisation embarquée, en particulier au sein d'un véhicule, notamment terrestre, aéronautique ou naval.

Claims

Revendications
1 ) Système de conversion d'énergie électrique comportant une matrice de commutateurs (8) commandés, caractérisé en ce que ladite matrice de commutateurs (8) convertit de manière réversible une tension alternative de fréquence élevée et/ou variable (3) soit en tension alternative d'une fréquence prédéterminée (5), soit en tension continue (9), ladite matrice de commutateurs (8) comprenant au moins un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable (3), au moins un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5) et au moins deux moyens de connexion de ladite tension continue (9).
2) Système selon la revendication 1 , dans lequel ladite matrice de commutateurs (8) comprend :
un bras de conversion (16) relié audit moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable (3), ledit bras de conversion comprenant deux commutateurs montés en parallèle : un premier commutateur (10) étant relié à une première branche de connexion (19), et un deuxième commutateur (1 1 ) étant relié à une deuxième branche de connexion (20),
- un commutateur (17) disposé entre ladite première branche de connexion (19) et un premier moyen de connexion de ladite tension continue (9),
- un commutateur (18) disposé entre ladite deuxième branche de connexion (20) et un deuxième moyen de connexion de ladite tension continue (9), et
ledit moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5) étant relié directement à ladite première branche de connexion (19).
3) Système selon la revendication 2, dans lequel ledit convertisseur comprend N moyens de connexion de ladite tension alternative à fréquence élevée et/ou variable (3), et ladite matrice de commutation comprend N bras de conversion (16) pour chaque moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5).
4) Système selon la revendication 3, dans lequel ledit convertisseur comprend six moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable (3) et un moyen de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5) et ladite matrice de commutateurs comprend six bras de conversion (16). 5) Système selon l'une des revendications 2 à 4, dans lequel ledit premier commutateur (10) dudit bras de conversion (16) est réversible. 6) Système selon l'une des revendications 2 à 5, dans lequel ledit deuxième commutateur (1 1 ) dudit bras de conversion (16) est irréversible.
7) Système selon l'une des revendications 2 à 6, dans lequel ledit commutateur (17) disposé entre ladite première branche de connexion (19) et ledit premier moyen de connexion de ladite tension continue (9) est un commutateur réversible.
8) Système selon l'une des revendications 2 à 7, dans lequel ledit commutateur (18) disposé entre ladite deuxième branche de connexion (20) et ledit deuxième moyen de connexion de ladite tension continue (9) est un commutateur irréversible.
9) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5) est une tension d'un réseau de distribution électrique. 10) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel la commande de ladite matrice de commutateurs (8) est basée sur une onde de modulation en cosinus.
1 1 ) Système selon l'une des revendications précédentes, dans lequel ledit système de conversion comprend un système de production d'énergie (1 ), un système de stockage de l'énergie électrique (6), et une connexion à un réseau de distribution électrique, lesdits moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence élevée et/ou variable (3) étant reliés audit système de production d'énergie (1 ), lesdits moyens de connexion de ladite tension alternative de fréquence prédéterminée (5) étant reliés audit réseau de distribution électrique et lesdits moyens de connexion de ladite tension continue (9) étant reliés audit système de stockage de l'énergie électrique (6).
12) Système selon la revendication 1 1 , dans lequel ledit système de production d'énergie (1 ) est une machine électrique reliée à une turbine (2), de préférence une micro-turbine, ou à une éolienne, ou est une machine électrique d'un véhicule, notamment terrestre, aéronautique ou naval.
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