WO2023110643A1 - Module de conversion comprenant un circuit de recuperation d'energie electrique - Google Patents

Module de conversion comprenant un circuit de recuperation d'energie electrique Download PDF

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WO2023110643A1
WO2023110643A1 PCT/EP2022/085068 EP2022085068W WO2023110643A1 WO 2023110643 A1 WO2023110643 A1 WO 2023110643A1 EP 2022085068 W EP2022085068 W EP 2022085068W WO 2023110643 A1 WO2023110643 A1 WO 2023110643A1
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switch
control device
transformer
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Pierre-Baptiste STECKLER
Besar ASLLANI
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Supergrid Institute
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Definitions

  • the present invention relates to the technical field of voltage converters, in particular for high voltage direct current (HVDC) power supply installations.
  • the present invention relates more specifically to conversion chains, also called valves, for voltage converters, for example line-commutated converters (LCC) or voltage source converters ( VSC for "Voltage Source Converters" in English).
  • LCC line-commutated converters
  • VSC voltage source converters
  • These converters can be of the AC/DC, DC/AC or even DC/DC type.
  • the conversion chains of known voltage converters generally comprise a plurality of conversion modules connected in series in the conversion chain.
  • these conversion modules each comprise a switch, for example a thyristor, which can be opened or closed by means of a control device.
  • This control device is preferably dedicated to said switch and must be supplied with locally pulsed electrical energy in order to limit the insulation constraints of said control device.
  • Conversion modules are known for conversion chains in which a passive damping circuit, consisting of a resistor and a capacitor connected in series, is connected to the terminals of the switch.
  • This damping circuit forms an auxiliary current path making it possible to at least partially bypass the switch, in order to adjust the voltage between the terminals of the conversion module and in order to balance the voltage of the conversion chain between the different modules. conversion. It is known to recover part of the energy dissipated within this damping circuit in order to supply electrical energy to the control device of the conversion module.
  • a disadvantage of this conversion module is that the capacitor of the snubber circuit and the supply capacitor must have a large capacitance in order to be able to supply the energy storage device with energy. sufficient electrical power to power the control device.
  • These high-capacitance capacitors, and consequently this conversion module, are particularly bulky and expensive. It is not possible to replace these capacitors with less bulky smaller capacity capacitors without compromising the power supply to the control device and therefore the control of the switch.
  • An object of the present invention is to propose a conversion module for a conversion chain of a voltage converter remedying the aforementioned problems.
  • the invention relates to a conversion module for a conversion chain of a voltage converter, for example of the high voltage direct current (HVDC) converter type, the conversion module having an upper terminal and a terminal lower terminal between which it extends, the conversion module comprising: a main electrical line extending between said upper terminal and said lower terminal; a switch connected in said main electric line and able to take at least one open position in which it blocks the flow of an electric current in said main electric line and a closed position in which it authorizes the flow of an electric current in said line main electrical; a local control device electrically connected to the switch and configured to control the placing in the open position or the placing in the closed position of the switch; an electrical energy recovery circuit configured to supply electrical energy to said local control device, said electrical energy recovery circuit being electrically connected between the upper terminal and the lower terminal of said conversion module and comprising a transformer having comprising a primary winding having a plurality of turns, and a secondary winding having a plurality of turns, the number of turns of the primary winding being greater than the
  • the conversion module is adapted to be connected in a conversion chain comprising several conversion modules connected in series, such a conversion chain also being called a valve.
  • This type of conversion module is particularly suitable for being installed in an HVDC type voltage converter.
  • a converter can be of the AC/DC or DC/AC type, so that it makes it possible to convert an alternating voltage into a direct voltage, and vice versa, or even of the DC/DC type, so that it converts a first DC voltage into a second DC voltage.
  • a voltage converter can be of the VSC or LCC type.
  • the switch is advantageously capable of withstanding high voltages at its terminals, for example voltages greater than 6 kilovolts, generally of the order of 10 kilovolts.
  • the switch is a controllable component, the placing in the open or closed position of which can be controlled by means of the control device.
  • local control device a control device configured to control a reduced number of switches, preferably only the switch of the conversion module, as opposed to a centralized control device controlling all the switches of a conversion chain or converter.
  • the control device is preferably placed physically close to the switch.
  • the local control device must be supplied with electrical energy to operate. It advantageously comprises an electronic control card connected to the energy storage device.
  • the local control device is advantageously configured to emit a control signal intended for the switch, in order to control its opening or its closing.
  • the control signal is advantageously sent to the gate or the gate of the switch.
  • the local control device preferably comprises a gate driver configured to transmit the control signals to said switch.
  • the transformer of the conversion module according to the invention has a transformation ratio, corresponding to the ratio between the number of turns of the secondary winding and the number of turns of the primary winding, strictly less than 1.
  • the ratio transformation of the transformer is approximately equal to the ratio between the voltage at the terminals of the secondary winding and the voltage at the terminals of the primary winding of the conversion module.
  • the number of turns of the primary winding is at least twice the number of turns of the secondary winding.
  • the transformer is said to reduce the voltage between its primary winding and its secondary winding. Therefore, the transformer is configured to impose a current flowing in the secondary winding, and therefore in the secondary loop, greater than a current flowing in the primary winding, and therefore in the primary loop. In other words, the transformer makes it possible to increase the current between its primary winding and its secondary winding.
  • the transformer is advantageously a transformer configured to operate at 50 Hz.
  • the transformer is advantageously a low-voltage transformer, configured to withstand a voltage of less than 1000 volts at its windings.
  • One advantage is to be able to use an inexpensive and compact transformer.
  • the transformer is capable of delivering a voltage equal to 50 volts across its secondary winding from a voltage of 230 volts across its primary winding.
  • a transformer can be easily manufactured or found commercially and has a reduced size and cost.
  • the electrical energy recovery circuit is connected in parallel with the switch.
  • the electrical energy storage device is advantageously connected in series with the secondary winding of the transformer, in the secondary loop.
  • This secondary current passes through the electrical energy storage device allowing the latter to store electrical energy which it is then able to return to the local control device to supply it.
  • the local control device is therefore supplied locally by electrical energy drawn locally and coming from the conversion module in operation.
  • the local control device is not powered by an energy source external to the conversion module.
  • a significant secondary current must flow in the secondary loop, preferably a current greater than 50 mA.
  • transformer makes it possible to produce a voltage divider bridge formed by the decoupling capacitor and the primary winding of the transformer.
  • the voltage transformer is advantageously chosen so as to present at the terminals of its primary winding a voltage much lower than the voltage at the terminals of the switch.
  • Said decoupling capacitor therefore has a high voltage at its terminals, of the same order of magnitude as the voltage at the terminals of the switch when the latter is open.
  • the transformer makes it possible to impose a current circulating in the secondary loop greater than the current circulating in the primary loop. In other words, it allows "to increase the current" between the primary winding and the secondary winding. It can therefore be chosen so as to allow the circulation of a secondary current in the secondary loop large enough to supply the local control device from a low primary current circulating in the primary loop, preferably a current lower than 10 mA, for example a primary current of the order of 5 mA.
  • An advantage of the invention is to allow the use of a low capacitance decoupling capacitor having reduced bulk and cost. Indeed, the voltage across the terminals of the primary winding of the transformer is advantageously kept substantially constant.
  • the invention offers the possibility of maintaining a low primary current in the primary loop while allowing the supply of the local control device, a capacitor of high impedance and therefore of low capacitance can be used.
  • the conversion module according to the invention is therefore less bulky and less expensive than the conversion modules according to the prior art, while allowing the supply of the local control device.
  • the voltage across the terminals of the switch, when it is open, has a strong DC component, which cannot be supported by the transformer.
  • the use of a transformer is facilitated by the introduction of the decoupling capacitor connected in the primary loop. Indeed, this decoupling capacitor makes it possible to filter and block this continuous component.
  • One interest is to prevent saturation of the transformer.
  • the decoupling capacitor is a high-voltage component, able to withstand a voltage at its terminals greater than 1000 Volts.
  • the transformer has a transformation ratio of between 0 and 0.5 between its primary winding and its secondary winding.
  • This transformation ratio corresponds to the ratio of the number of turns of the secondary winding to the number of turns of the primary winding.
  • the primary winding then comprises at least twice as many turns as the secondary winding.
  • An interest is to allow the circulation of a secondary current in the secondary loop at least twice as high as the primary current circulating in the primary loop. This makes it possible to maintain a secondary current sufficient to supply the local control device while further limiting the current circulating in the primary loop, in order to be able to further reduce the capacitance of the decoupling capacitor and therefore the size of the conversion module. .
  • the primary winding of the transformer comprises between 5 and 50 times more turns than the secondary winding.
  • One benefit is to further reduce the intensity of the current flowing in the primary loop. It is understood that the current circulating in the primary loop is advantageously between 5 and 50 times lower than the current circulating in the secondary loop.
  • the primary winding of the transformer comprises approximately 10 times more turns than the secondary winding.
  • the switch is a semiconductor component, for example a thyristor, an insulated-gate bipolar transistor or a diode.
  • the main switch is a thyristor
  • it comprises an anode, a cathode and a trigger making it possible to control its opening and closing.
  • the open position of the switch corresponds to the off state of the thyristor and the closed position of the switch corresponds to the on state of the thyristor.
  • the local control device is advantageously configured to deliver a control signal intended for said gate in order to place the thyristor in the off state or in the on state.
  • the electrical energy storage device comprises at least one capacitor connected in the secondary loop in series with the secondary winding of the transformer.
  • a capacitor has the advantage of being inexpensive and compact.
  • Said capacitor gradually charges with the circulation of a current in the secondary loop.
  • Said capacitor is advantageously connected directly to the local control device and configured to discharge at least in part and supply said local control device. In other words, the local control device draws its supply energy from said capacitor.
  • Said capacitor of the energy storage device advantageously has a capacitance of between 100 microfarads and 100 millifarads.
  • the capacitor is advantageously a low-voltage component configured to withstand a voltage lower than 1000 Volts, more preferably lower than 200 Volts.
  • the electrical energy harvesting circuit further comprises a resistor connected in series with the decoupling capacitor and the primary winding of the transformer in the primary loop. This resistance makes it possible to damp the oscillations of the voltage across the terminals of the primary winding of the transformer, reducing the risk of damaging said transformer.
  • the decoupling capacitor has a capacitance of between 10 and 50 nanofarads.
  • Such a capacitor is inexpensive, can be easily found commercially and has a small footprint.
  • the electrical energy recovery circuit further comprises a rectifier assembly connected in parallel with the electrical energy storage device, the rectifier assembly being configured to impose a rectified voltage across the terminals of the electrical energy storage device.
  • a rectifier assembly connected in parallel with the electrical energy storage device, the rectifier assembly being configured to impose a rectified voltage across the terminals of the electrical energy storage device.
  • the current flowing in the electrical energy storage device may exhibit a residual oscillation (“ripple”).
  • the rectifier assembly preferably comprises at least one diode, more preferably four diodes.
  • the rectifier assembly is advantageously configured to impose a positive rectified voltage across the terminals of the electrical energy storage device.
  • the rectifier assembly is a full-wave rectifier assembly.
  • Such rectifier assemblies comprise a plurality of diodes. They are space-saving and inexpensive.
  • the rectifier assembly comprises a diode bridge comprising four diodes, said diode bridge being configured so that only two of the four diodes are conductive at a time.
  • a diode bridge is also called a Graetz bridge. It comprises two pairs of diodes, each pair of diodes being alternately conductive then blocked while, during the same time, the other pair of diodes is alternately blocked then conductive, following the sinusoidal evolution of the secondary current circulating in the secondary loop.
  • a Graetz bridge rectifier assembly eliminates the need for a central tap for the secondary winding of the transformer.
  • the local control device is dedicated to the switch of the conversion module.
  • the local control device controls in this case only said switch of said conversion module and does not control the switches of other conversion modules.
  • said local control device is specific to said conversion module and the control is not centralized.
  • the invention also relates to a conversion chain of a voltage converter, for example of the high voltage direct current (HVDC) converter type, the conversion chain comprising at least one conversion module as described above.
  • HVDC high voltage direct current
  • the local control device of each conversion module of the conversion chain advantageously only controls the switch of said corresponding conversion module.
  • the invention also relates to a voltage converter, for example of the high voltage direct current (HVDC) converter type, comprising at least one conversion chain as described above.
  • HVDC high voltage direct current
  • This voltage converter can be of the AC/DC type, of the DC/AC type or else of the DC/DC type. In a non-limiting manner, such a voltage converter can be of the VSC or LCC type.
  • FIG. 1 illustrates a conversion module according to the invention
  • FIG. 2 illustrates a conversion chain according to the invention, comprising a plurality of conversion modules according to FIG. 1;
  • FIG. 3 illustrates the evolution over time of quantities associated with the conversion module of FIG. 1, during its start-up;
  • FIG. 4 illustrates the evolution over time of quantities associated with the conversion module of FIG. 1, during its operation;
  • Figure 5 illustrates a high voltage direct current converter according to the invention.
  • the invention relates to a conversion module for a conversion chain of a voltage converter, as well as to a conversion chain comprising such a conversion module and to a voltage converter comprising such a conversion chain.
  • FIG. 1 illustrates a conversion module 10 according to the invention.
  • a conversion module 10 is particularly suitable for being connected in a conversion chain of an AC/DC type or DC/DC type voltage converter.
  • a voltage converter can also be a line-commutated converter (LCC) or a voltage-source converter (VSC).
  • LCC line-commutated converter
  • VSC voltage-source converter
  • the conversion module 10 comprises an upper terminal 10a and a lower terminal 10b between which it extends. It comprises a main electrical line 12 extending between said upper terminal 10a and said lower terminal 10b.
  • the conversion module 10 comprises a switch 14 connected in its main electric line 12 between the upper terminal 10a and the lower terminal 10b.
  • switch 14 is a semiconductor switch and more precisely a thyristor.
  • the switch 14 comprises an anode A electrically connected to the upper terminal 10a of the conversion module, a cathode K electrically connected to the lower terminal 10b of the conversion module, and a gate Ga making it possible to control the thyristor.
  • the switch 14 can take an open position, corresponding to the blocked state of the thyristor, in which it blocks the flow of an electric current in said main electric line 12, for example if the voltage between the anode A and the cathode K is negative or if this voltage is positive but the current entering the trigger Ga is zero.
  • Switch 14 can also take a closed position, corresponding to the on state of the thyristor, in which it authorizes the circulation of an electric current in said main electric line 12, for example if the voltage between the anode A and the cathode K is positive and a positive current pulse has been applied to trigger Ga.
  • the conversion module 10 also comprises a local control device 16 electrically connected to the switch, and more precisely to the trigger Ga of the switch.
  • This local control device 16 is configured to locally control the placing in the open position or the placing in the closed position of the switch 14, or in other words the placing in the off or on state of the thyristor. To do this, said device local control 16 is configured to transmit control signals to switch 14. These control signals advantageously have the form of electric pulses, preferably current pulses, transmitted to the gate Ga of the thyristor.
  • the local control device 16 preferably comprises a gate driver configured to transmit the control signals to said switch.
  • the local control device 16 advantageously takes the form of a control card.
  • the local control device 16 is dedicated to said switch 14 so that it only controls said switch. It is therefore not a centralized control device.
  • the conversion module 10 also comprises an electrical energy recovery circuit 18 connected between the upper terminal 10a and the lower terminal 10b, in parallel with the switch.
  • the electrical energy recovery circuit 18 is configured to recover and store electrical energy resulting from the circulation of currents within said electrical energy recovery circuit.
  • the electrical energy recovery circuit 18 is further configured to supply the local control device 16 with electrical energy.
  • the electrical energy recovery circuit 18 comprises a transformer 20.
  • the transformer 20 is of the single-phase type, so that it comprises a primary winding 20a and a secondary winding 20b, galvanically isolated.
  • the transformer is normally polarized.
  • Transformer 20 is a low-voltage transformer operating at a frequency of 50Hz.
  • the primary winding 20a of the transformer 20 is connected in a primary loop 22 between the upper terminal 10a and the lower terminal 10b of the conversion module 10.
  • a decoupling capacitor 24 is connected in series with the primary winding 20a of the transformer 20, in the primary loop 22, between the upper terminal 10a of the conversion module and said primary winding 20a.
  • a resistor 26 is connected in the primary loop 22 in series with the primary winding 20a of the transformer 20 and the decoupling capacitor 24, between said decoupling capacitor 24 and the upper terminal 10a.
  • the decoupling capacitor is therefore connected between the primary winding 10a and the resistor 26.
  • decoupling capacitor 24 is a high-voltage capacitor having a capacitance of 33 nanofarads. It makes it possible to filter the DC component of the voltage across the terminals of switch 14, when the latter is open.
  • the electrical energy recovery circuit 18 further comprises an electrical energy storage device 28 comprising, in this non-limiting example, a low-voltage capacitor having a capacity of 10 nanofarads.
  • the electrical energy storage device 28 is connected in a secondary loop 30 in series with the secondary winding 20b of the transformer 20.
  • the electrical energy recovery circuit 18 comprises a rectifier circuit 32 connected in the secondary loop 30, in parallel with the electrical energy storage device 28.
  • the rectifier circuit 32 comprises a first upper terminal 32a connected to a first terminal of the secondary winding 20b, a second upper terminal 32b connected to a first terminal of the electrical energy storage device 28, a first lower terminal 32c connected to a second terminal of the electrical energy storage device, and a second lower terminal 32d connected to a second terminal of the secondary winding.
  • the rectifier assembly 32 comprises first Di, second D 2 , third D 3 and fourth D 4 diodes.
  • the first diode Di is connected between said first and second upper terminals 32a, 32b, and conducts in the direction of the second upper terminal 32b.
  • the second diode D 2 is connected between said third and fourth lower terminals 32c, 32d, and is conducting in the direction of the second lower terminal 32d.
  • Third diode D 3 is connected between first upper terminal 32a and first lower terminal 32c, and conducts in the direction of first upper terminal 32a.
  • the fourth diode D 4 is connected between the second upper terminal 32a and the second lower terminal 32c, and conducts in the direction of the second upper terminal 32a.
  • part of the current flowing in the conversion device 10 flows in the electrical energy recovery circuit 18, when the switch 14 is open but also when said switch is in the closed position. Consequently, a primary current ii flows in the primary loop 22 and therefore in the primary winding 20a of the transformer.
  • the assembly consisting of the primary winding 20a of the transformer 20 and the decoupling capacitor 24, connected in series in the primary loop 22, forms a voltage divider bridge, in parallel with the switch 14.
  • the transformer imposes a voltage of approximately 300 Volts across its primary winding 20a. Given the divider bridge formed, this voltage is much lower than the voltage across the terminals of decoupling capacitor 24, approximately ten times lower. Consequently, the voltage across the terminals of the decoupling capacitor is of the same order of magnitude as the voltage across the terminals of switch 14, when the switch is open.
  • the primary winding 20a of the transformer 20 has a greater number of turns than the number of turns of the secondary winding 20b.
  • the primary winding comprises about six times more turns than the secondary winding.
  • the transformer 20 therefore makes it possible to impose a voltage across the terminals of its secondary winding that is lower than the voltage across the terminals of its primary winding. It also makes it possible to impose a secondary current i 2 flowing in its secondary winding 20b, and in the secondary loop 30, greater than the primary current ii flowing in its primary winding, approximately six times greater. In other words, the transformer makes it possible to raise the current between its primary winding and its secondary winding.
  • the invention makes it possible to obtain a high secondary current i 2 , of the order of 60 mA, while maintaining a low primary current i 2 , of the order of 10 mA.
  • the secondary current i 2 is advantageously at least 5 times, more preferably at least 10 times greater than the primary current h. This makes it possible, on the one hand, to have sufficient secondary current to charge the capacitor of the energy storage device 28, so that it can store the energy necessary to supply the local control device 16.
  • the possibility provided by the invention of keeping a low primary current h allows the use of a decoupling capacitor 24 of low capacity, here of the order of 30 nanofarads, thus reducing the size and the cost of said decoupling capacitor 24 and conversion module 10 in general.
  • the transformer 20 is configured to deliver to the terminals of its secondary winding 20b a voltage approximately equal to 50 Volts from a voltage of approximately 300 Volts to the terminals of its primary winding 20a.
  • the rectifier assembly 32 makes it possible to impose a positive rectified voltage across the terminals of the energy storage device. To do this, the first and second diodes DI, D 2 are initially simultaneously conductive while the third and fourth diodes D 3 , D 4 are blocked, then in a second time, the first and second diodes are blocked while the third and fourth diodes are conductive, following the evolution of the sinusoidal secondary current.
  • the electrical energy recovery circuit 18 further comprises a first clipping diode D 5 and a second clipping diode D 6 connected in series with each other, head to tail, in parallel with the secondary winding 20b of the transformer.
  • These clipping diodes are Zener diodes. They are configured to clip the voltage across the terminals of the secondary winding, because the voltage is too high.
  • FIG. 2 illustrates a conversion chain 38 according to the invention. This conversion chain 38 is adapted to be installed in a voltage converter, for example of the high voltage direct current converter (HVDC) type.
  • HVDC high voltage direct current converter
  • the conversion chain 38 comprises three conversion modules 10, such as that of FIG. 1, connected in series relative to each other in said conversion chain.
  • Each of the conversion modules 10 comprises an upper terminal 10a and a lower terminal 10b between which it extends.
  • the lower terminal 10b of a conversion module 10 is electrically connected to the upper terminal 10a of the directly adjacent conversion module 10.
  • each conversion module 10 comprises a dedicated local control device 16, which is specific to it, making it possible to locally control the switch 14 of said conversion module.
  • the control of the switches 14 of the conversion modules is not centralized.
  • FIG. 3 shows three graphs (a), (b) and (c) respectively illustrating the evolution as a function of time of the voltage at the terminals of the capacitor of the electrical energy storage device 28, of the currents passing through said capacitor and of the voltage across the terminals of switch 14, when starting the conversion module.
  • the capacitor of the electrical energy storage device 28 is discharged.
  • An alternating voltage is applied across the terminals of switch 14, as shown in graph (c).
  • a current ii,i 2 then begins to flow respectively in the primary 22 and secondary 30 loops.
  • the positive rectified secondary current i 2 flows in the capacitor of the storage device. This is reflected in the graph (b) which shows in solid line a positive rectified current flowing in the first and second diodes DI, D 2 and in dotted lines a positive rectified current flowing in the third and fourth diodes D 3 , D 4 .
  • the capacitor of the electrical energy storage device 28 then charges, which is accompanied by an increase in the voltage at its terminals, as can be seen in graph (a).
  • the capacitor of the electrical energy storage device 28 is fully charged so that the voltage at its terminals reaches a high threshold and therefore remains constant.
  • the secondary current i 2 flowing in said capacitor becomes zero at time ti.
  • FIG. 4 shows four graphs (a), (b), (c), and (d) respectively illustrating the evolution as a function of time of the power taken by the local control device 16 from the energy storage device electrical 28, the voltage across the capacitor of the electrical energy storage device 28, the currents passing through said capacitor and the voltage across the terminals of switch 14, during normal operation of the conversion module, after the start-up step.
  • Each power peak on the graph (a) corresponds to the electrical power drawn by the local control device 16 from the electrical energy storage device 28.
  • the local control device forms a load for the conversion module according to the invention.
  • graph (b) shows the voltage of the capacitor of the electrical energy storage device 28 and therefore its charge suddenly drops, before gradually increasing, said capacitor then charging again.
  • Graph (c) shows the current flowing through the secondary loop and charging the capacitor of the energy storage device.
  • Graph (d) shows the voltage across switch 14.
  • FIG. 5 illustrates a high-voltage direct current (HVDC) converter 40 of the line-commutated type (“Line Commutated Converter” or “LCC”).
  • This converter comprises an upper conversion stage 42 and a lower conversion stage 44.
  • Each conversion stage 42,44 comprises three arms each composed of an upper half-arm and a lower half-arm.
  • each conversion chain 38 comprises a plurality of conversion modules 10 according to the invention, such as that of FIG. 1.
  • the conversion modules 10 are connected in series in the conversion chain.
  • Each conversion stage of the converter is connected to an AC part of the converter via transformers.

Abstract

Module de conversion (10) comprenant un interrupteur (14), un dispositif de commande locale (16) configuré pour commander la mise en position ouverte ou la mise en position fermée de l'interrupteur, un circuit de récupération d'énergie électrique (18) comprenant un transformateur (20) comportant un enroulement primaire (20a) ayant un nombre de spires supérieur au nombre de spire d'un enroulement secondaire, l'enroulement primaire étant connecté dans une boucle primaire (22), en série avec un condensateur de découplage (24), le circuit de récupération d'énergie électrique comprenant un dispositif de stockage d'énergie électrique (28) connecté dans une boucle secondaire (30) et étant configuré pour emmagasiner de l'énergie électrique et pour restituer au moins une partie de cette énergie électrique au dispositif de commande locale.

Description

MODULE DE CONVERSION COMPRENANT UN CIRCUIT DE RECUPERATION D'ENERGIE ELECTRIQUE
Domaine Technique
La présente invention concerne le domaine technique des convertisseurs de tension, notamment pour les installations d'alimentation électrique en courant continu haute tension (HVDC pour « High Voltage Direct Current » en langue anglaise). La présente invention concerne plus précisément les chaines de conversion, également appelées valves, pour des convertisseurs de tension, par exemple des convertisseurs commutés par la ligne (LCC pour « Line-Com mutated Converters » en langue anglaise) ou des convertisseurs source de tension (VSC pour «Voltage Source Converters » en langue anglaise). Ces convertisseurs peuvent être de type AC/DC, DC/ AC ou encore DC/DC.
Les chaines de conversion des convertisseurs de tension connues comprennent généralement une pluralité de modules de conversion connectés en série dans la chaine de conversion. Traditionnellement, ces modules de conversion comprennent chacun un interrupteur, par exemple un thyristor, pouvant être ouvert ou fermé au moyen d'un dispositif de commande. Ce dispositif de commande est de préférence dédié audit interrupteur et doit être alimenté en énergie électrique puisée localement afin de limiter les contraintes d'isolation dudit dispositif de commande.
Technique antérieure
On connait des modules de conversion pour des chaines de conversion dans lesquels un circuit d'amortissement passif, constitué d'une résistance et d'un condensateur montés en série, est connecté aux bornes de l'interrupteur. Ce circuit d'amortissement forme un chemin de courant auxiliaire permettant de contourner au moins partiellement l'interrupteur, afin d'ajuster la tension entre les terminaux du module de conversion et afin d'équilibrer la tension de la chaine de conversion entre les différents modules de conversion. Il est connu de récupérer une partie de l'énergie dissipée au sein de ce circuit d'amortissement afin d'alimenter en énergie électrique le dispositif de commande du module de conversion.
Pour ce faire, il est connu de connecter un condensateur d'alimentation en série avec le condensateur du circuit d'amortissement, afin de former un pont diviseur capacitif. La tension aux bornes du condensateur d'alimentation est délivrée à un dispositif de stockage d'énergie lui permettant ensuite de fournir de l'énergie électrique au dispositif de commande.
Un inconvénient de ce module de conversion est que le condensateur du circuit d'amortissement et le condensateur d'alimentation doivent présenter une capacité importante afin de pouvoir fournir au dispositif de stockage d'énergie une énergie électrique suffisante pour alimenter le dispositif de commande. Ces condensateurs à forte capacité, et par conséquent ce module de conversion, sont particulièrement encombrants et coûteux. Il n'est pas possible de remplacer ces condensateurs par des condensateurs de plus faible capacité moins encombrants sans compromettre l'alimentation du dispositif de commande et donc le contrôle de l'interrupteur.
Exposé de l'invention
Un but de la présente invention est de proposer un module de conversion pour une chaine de conversion d'un convertisseur de tension remédiant aux problèmes précités.
Pour ce faire, l'invention porte sur un module de conversion pour une chaine de conversion d'un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), le module de conversion présentant un terminal supérieur et un terminal inférieur entre lesquels il s'étend, le module de conversion comprenant: une ligne électrique principale s'étendant entre ledit terminal supérieur et ledit terminal inférieur; un interrupteur connecté dans ladite ligne électrique principale et pouvant prendre au moins une position ouverte dans lequel il bloque la circulation d'un courant électrique dans ladite ligne électrique principale et une position fermée dans lequel il autorise la circulation d'un courant électrique dans ladite ligne électrique principale ; un dispositif de commande locale relié électriquement à l'interrupteur et configuré pour commander la mise en position ouverte ou la mise en position fermée de l'interrupteur ; un circuit de récupération d'énergie électrique configuré pour alimenter en énergie électrique ledit dispositif de commande locale, ledit circuit de récupération d'énergie électrique étant connecté électriquement entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion et comprenant un transformateur ayant comportant un enroulement primaire ayant une pluralité de spires, ainsi qu'un enroulement secondaire ayant une pluralité de spires, le nombre de spires de l'enroulement primaire étant supérieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire, l'enroulement primaire étant connecté dans une boucle primaire, en série avec un condensateur de découplage, entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, le circuit de récupération d'énergie électrique comprenant en outre un dispositif de stockage d'énergie électrique connecté dans une boucle secondaire comprenant ledit enroulement secondaire, le dispositif de stockage d'énergie électrique étant relié électriquement audit dispositif de commande locale, ledit dispositif de stockage d'énergie électrique étant configuré pour emmagasiner de l'énergie électrique résultant de la circulation d'un courant électrique dans ladite boucle secondaire, et pour restituer au moins une partie de cette énergie électrique au dispositif de commande locale, afin d'alimenter ledit dispositif de commande locale en énergie électrique.
Le module de conversion est adapté pour être connecté dans une chaine de conversion comprenant plusieurs modules de conversion connectés en série, une telle chaine de conversion étant également appelée valve. Ce type de module de conversion est particulièrement adapté pour être implantée dans un convertisseur de tension de type HVDC. De préférence, un tel convertisseur peut être de type AC/DC ou DC/AC, de sorte qu'il permet de convertir une tension alternative en une tension continue, et inversement, ou encore de type DC/DC, de sorte qu'il permet de convertir une première tension continue en une seconde tension continue. De manière non limitative, un tel convertisseur de tension peut être de type VSC ou LCC.
L'interrupteur est avantageusement apte à supporter des tensions importantes à ses bornes, par exemple des tensions supérieures à 6 kilovolts, généralement de l'ordre de 10 kilovolts. L'interrupteur est un composant commandable, dont la mise en position ouverte ou fermée peut être contrôlée au moyen du dispositif de commande.
Par dispositif de commande locale, on entend un dispositif de commande configuré pour commander un nombre réduit d'interrupteurs, de préférence uniquement l'interrupteur du module de conversion, par opposition à un dispositif de commande centralisée commandant l'ensemble des interrupteurs d'une chaine de conversion ou d'un convertisseur. Le dispositif de commande est de préférence disposé physiquement à proximité de l'interrupteur.
Le dispositif de commande locale doit être alimenté en énergie électrique pour fonctionner. Il comprend avantageusement une carte électronique de commande reliée au dispositif de stockage d'énergie.
Le dispositif de commande locale est avantageusement configuré pour émettre un signal de commande à destination de l'interrupteur, afin de commander son ouverture ou sa fermeture. Dans le cas où l'interrupteur est un thyristor ou un transistor à grille isolée, le signal de commande est avantageusement envoyé vers la gâchette ou la grille de l'interrupteur.
Le dispositif de commande locale comprend de préférence un pilote de grille (« Gate driver » en langue anglaise) configuré pour transmettre les signaux de commande audit interrupteur.
Le transformateur du module de conversion selon l'invention présente un rapport de transformation, correspondant au rapport entre le nombre de spires de l'enroulement secondaire et le nombre de spires de l'enroulement primaire, strictement inférieur à 1. En approximation, le rapport de transformation du transformateur est environ égal au rapport entre la tension aux bornes de l'enroulement secondaire et la tension aux bornes de l'enroulement primaire du module de conversion.
De préférence, mais de manière non limitative, le nombre de spires de l'enroulement primaire est au moins deux fois supérieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire.
Dans la mesure où le nombre de spires de l'enroulement primaire est supérieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire, la tension aux bornes de l'enroulement primaire est donc supérieure à la tension aux bornes de l'enroulement secondaire. Le transformateur est dit abaisseur de tension entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire. De ce fait, le transformateur est configuré pour imposer un courant circulant dans l'enroulement secondaire, et donc dans la boucle secondaire, supérieur à un courant circulant dans l'enroulement primaire, et donc dans la boucle primaire. En d'autres mots, le transformateur permet d'augmenter le courant entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire.
Le transformateur est avantageusement un transformateur configuré pour fonctionner à 50 Hz. Le transformateur est avantageusement un transformateur basse-tension, configuré pour supporter une tension inférieure à 1000 Volts à ses enroulements. Un intérêt est de pouvoir utiliser un transformateur peu coûteux et peu encombrant.
De préférence, le transformateur est apte à délivrer une tension égale à 50 Volts aux bornes de son enroulement secondaire à partir d'une tension de 230 Volts aux bornes de son enroulement primaire. Un tel transformateur peut être aisément fabriqué ou trouvé dans le commerce et présente un encombrement et un coût réduits.
Le circuit de récupération d'énergie électrique est connecté en parallèle de l'interrupteur.
Le dispositif de stockage d'énergie électrique est avantageusement connecté en série avec l'enroulement secondaire du transformateur, dans la boucle secondaire.
Lorsque le module de conversion est traversé par un courant électrique, ce courant circule en partie dans la ligne électrique principale et en partie dans le circuit de récupération d'énergie électrique, si l'interrupteur est fermé, ou intégralement dans le circuit de récupération d'énergie électrique, si l'interrupteur est ouvert. Un courant primaire circule par conséquent dans la boucle primaire, le transformateur entraînant la circulation d'un courant secondaire dans la boucle secondaire. Le rapport entre ledit courant primaire et ledit courant secondaire correspond, en approximation, au rapport de transformation du transformateur.
Ce courant secondaire traverse le dispositif de stockage d'énergie électrique permettant à ce dernier d'emmagasiner de l'énergie électrique qu'il est ensuite apte à restituer au dispositif de commande locale pour l'alimenter. Le dispositif de commande locale est donc alimenté localement par une énergie électrique puisée localement et issue du module de conversion en fonctionnement. Le dispositif de commande locale n'est pas alimenté par une source d'énergie externe au module de conversion. Un intérêt est de réduire les contraintes relatives à l'isolation du dispositif de commande locale.
Afin que le dispositif de stockage d'énergie puisse emmagasiner suffisamment d'énergie pour alimenter le dispositif de commande locale, un courant secondaire important doit circuler dans la boucle secondaire, de préférence un courant supérieur à 50 mA.
L'utilisation d'un transformateur selon l'invention permet de réaliser un pont diviseur de tension formé par le condensateur de découplage et l'enroulement primaire du transformateur.
Dans ce pont diviseur de tension, le transformateur de tension est avantageusement choisi de manière à présenter aux bornes de son enroulement primaire une tension très inférieure à la tension aux bornes de l'interrupteur. Ledit condensateur de découplage présente en conséquence une tension importante à ses bornes, du même ordre de grandeur que la tension aux bornes de l'interrupteur lorsque ce dernier est ouvert.
Grâce à l'invention, le transformateur permet d'imposer un courant circulant dans la boucle secondaire supérieur au courant circulant dans la boucle primaire. En d'autres mots, il permet « d'augmenter le courant » entre l'enroulement primaire et l'enroulement secondaire. Il peut donc être choisi de manière à permettre la circulation d'un courant secondaire dans la boucle secondaire suffisamment important pour alimenter le dispositif de commande locale à partir d'un faible courant primaire circulant dans la boucle primaire, de préférence un courant inférieur à 10 mA, par exemple un courant primaire de l'ordre de 5 mA. Un avantage de l'invention est de permettre l'utilisation d'un condensateur de découplage de faible capacité présentant un encombrement et un coût réduits. En effet, la tension aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur est avantageusement maintenue sensiblement constante. L'invention offrant la possibilité de maintenir un courant primaire faible dans la boucle primaire tout en permettant l'alimentation du dispositif de commande local, un condensateur de forte impédance et donc de faible capacité peut être utilisé. Le module de conversion selon l'invention est donc moins encombrant et moins coûteux que les modules de conversion selon l'art antérieur, tout en permettant l'alimentation du dispositif de commande locale.
Par ailleurs, la tension aux bornes de l'interrupteur, lorsqu'il est ouvert, présente une forte composante continue, qui ne peut pas être supportée par le transformateur. L'utilisation d'un transformateur est facilitée par l'introduction du condensateur de découplage connecté dans la boucle primaire. En effet, ce condensateur de découplage permet de filtrer et de bloquer cette composante continue. Un intérêt est d'empêcher la saturation du transformateur.
De préférence, mais de manière non-limitative, le condensateur de découplage est un composant haute-tension, apte à supporter une tension à ses bornes supérieure à 1000 Volts.
De préférence, le transformateur présente un rapport de transformation compris entre 0 et 0.5 entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire. Ce rapport de transformation correspond au rapport du nombre de spires de l'enroulement secondaire sur le nombre de spires de l'enroulement primaire. On comprend que l'enroulement primaire comprend alors au moins deux fois plus de spires que l'enroulement secondaire. Un intérêt est de permettre la circulation d'un courant secondaire dans la boucle secondaire au moins deux fois plus élevé que le courant primaire circulant dans la boucle primaire. Ceci permet de conserver un courant secondaire suffisant pour alimenter le dispositif de commande locale tout en limitant davantage le courant circulant dans la boucle primaire, afin de pouvoir réduire d'autant plus la capacité du condensateur de découplage et donc l'encombrement du module de conversion.
Avantageusement, l'enroulement primaire du transformateur comprend entre 5 et 50 fois plus de spires que l'enroulement secondaire. Un intérêt est de réduire d'autant plus l'intensité du courant circulant dans la boucle primaire. On comprend que le courant circulant dans la boucle primaire est avantageusement entre 5 et 50 fois inférieur au courant circulant dans la boucle secondaire. Encore de préférence, l'enroulement primaire du transformateur comprend environ 10 fois plus de spires que l'enroulement secondaire.
Préférentiellement, l'interrupteur est un composant semi-conducteur, par exemple un thyristor, un transistor bipolaire à grille isolée ou une diode.
Si l'interrupteur principal est un thyristor, alors il comprend une anode, une cathode et une gâchette permettant de commander son ouverture et sa fermeture. Auquel cas, la position ouverte de l'interrupteur correspond à l'état bloqué du thyristor et la position fermée de l'interrupteur correspond à l'état passant du thyristor. Le dispositif de commande locale est avantageusement configuré pour délivrer un signal de commande à destination de ladite gâchette afin de placer le thyristor dans l'état bloqué ou dans l'état passant.
De préférence, le dispositif de stockage d'énergie électrique comprend au moins un condensateur connecté dans la boucle secondaire en série avec l'enroulement secondaire du transformateur. Un tel condensateur présente l'avantage d'être peu coûteux et peu encombrant. Ledit condensateur se charge progressivement avec la circulation d'un courant dans la boucle secondaire. Ledit condensateur est avantageusement connecté directement au dispositif de commande locale et configuré pour se décharger au moins en partie et alimenter ledit dispositif de commande locale. Autrement dit, le dispositif de commande locale puise son énergie d'alimentation dans ledit condensateur.
Ledit condensateur du dispositif de stockage d'énergie présente avantageusement une capacité comprise entre 100 microfarads et 100 millifarads. Le condensateur est avantageusement un composant basse-tension configuré pour supporter une tension inférieure à 1000 Volts, encore de préférence inférieure à 200 Volts.
De manière avantageuse, le circuit de récupération d'énergie électrique comprend en outre une résistance connectée en série avec le condensateur de découplage et l'enroulement primaire du transformateur dans la boucle primaire. Cette résistance permet d'amortir les oscillations de la tension aux bornes de l'enroulement primaire du transformateur, réduisant le risque d'endommagement dudit transformateur.
De préférence, le condensateur de découplage présente une capacité comprise entre 10 et 50 nanofarads. Un tel condensateur est peu coûteux, peut être facilement trouvé dans le commerce et présente un faible encombrement.
De préférence, le circuit de récupération d'énergie électrique comprend en outre un montage redresseur connecté en parallèle du dispositif de stockage d'énergie électrique, le montage redresseur étant configuré pour imposer aux bornes du dispositif de stockage d'énergie électrique une tension redressée. Un intérêt est d'imposer aux bornes du dispositif de stockage d'énergie électrique une tension uniquement positive ou uniquement négative, permettant ainsi d'alimenter directement le dispositif de commande locale. En effet, les composants couramment utilisés comme pilotes de grille doivent généralement être alimenté avec une tension de polarité constante.
Le courant circulant dans le dispositif de stockage d'énergie électrique peut présenter une oscillation résiduelle (« ripple » en langue anglaise).
Le montage redresseur comprend de préférence au moins une diode, encore de préférence quatre diodes.
Le montage redresseur est avantageusement configuré pour imposer une tension redressée positive aux bornes du dispositif de stockage d'énergie électrique.
Avantageusement, le montage redresseur est un montage redresseur pleine onde. De tels montages redresseurs comprennent une pluralité de diodes. Ils sont peu encombrants et peu coûteux.
Préférentiellement, le montage redresseur comprend un pont de diodes comprenant quatre diodes, ledit pont de diodes étant configuré de sorte que seules deux des quatre diodes sont passantes à la fois. Un tel pont de diodes est également appelé pont de Graetz. Il comporte deux paires de diodes, chaque paire de diodes étant alternativement passante puis bloquée tandis que, pendant le même temps, l'autre paire de diodes est alternativement bloquée puis passante, suivant l'évolution sinusoïdale du courant secondaire circulant dans la boucle secondaire. Un montage redresseur en pont de Graetz permet de s'affranchir d'une prise centrale pour l'enroulement secondaire du transformateur.
De préférence, le dispositif de commande locale est dédié à l'interrupteur du module de conversion. Le dispositif de commande locale commande dans ce cas uniquement ledit interrupteur dudit module de conversion et ne commande pas les interrupteurs d'autres modules de conversion. En d'autres, mots, ledit dispositif de commande locale est propre audit module de conversion et la commande n'est pas centralisée.
L'invention porte par ailleurs sur une chaine de conversion d'un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), la chaine de conversion comprenant au moins un module de conversion tel que décrit précédemment.
Le dispositif de commande locale de chaque module de conversion de la chaine de conversion commande avantageusement uniquement l'interrupteur dudit module de conversion correspondant.
L'invention porte également sur un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), comprenant au moins une chaine de conversion telle que décrite précédemment.
Ce convertisseur de tension peut être de type AC/DC, de type DC/ AC ou encore de type DC/DC. De manière non limitative, un tel convertisseur de tension peut être de type VSC ou LCC.
Brève description des dessins
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes de réalisation de l'invention donnés à titre d'exemples non limitatifs, en référence aux dessins annexés, sur lesquels :
[Fig. l]La figure 1 illustre un module de conversion selon l'invention ;
[Fig. 2]La figure 2 illustre une chaine de conversion selon l'invention, comprenant une pluralité de module de conversion selon la figure 1;
[Fig. 3]La figure 3 illustre l'évolution dans le temps de grandeurs associées au module de conversion de la figure 1, lors de son démarrage ;
[Fig. 4]La figure 4 illustre l'évolution dans le temps de grandeurs associées au module de conversion de la figure 1, lors de son fonctionnement ; et [Fig. 5]La figure 5 illustre un convertisseur à courant continu haute tension selon l'invention.
Description des modes de réalisation
L'invention porte sur un module de conversion pour une chaine de conversion d'un convertisseur de tension, ainsi que sur une chaine de conversion comprenant un tel module de conversion et sur un convertisseur de tension comprenant une telle chaine de conversion.
La figure 1 illustre un module de conversion 10 selon l'invention. Un tel module de conversion 10 est particulièrement adapté pour être connecté dans une chaine de conversion d'un convertisseur de tension de type AC/DC ou de type DC/DC. Un tel convertisseur de tension peut par ailleurs être un convertisseur commuté par la ligne (LCC) ou un convertisseur source de tension (VSC).
Le module de conversion 10 comprend un terminal supérieur 10a et un terminal inférieur 10b entre lesquels il s'étend. Il comprend une ligne électrique principale 12 s'étendant entre ledit terminal supérieur 10a et ledit terminal inférieur 10b. Le module de conversion 10 comprend un interrupteur 14 connecté dans sa ligne électrique principale 12 entre le terminal supérieur 10a et le terminal inférieur 10b.
Dans cet exemple non limitatif, l'interrupteur 14 est un interrupteur à semi- conducteurs et plus précisément un thyristor. L'interrupteur 14 comprend une anode A reliée électriquement au terminal supérieur 10a du module de conversion, une cathode K reliée électriquement au terminal inférieur 10b du module de conversion, et une gâchette Ga permettant de commander le thyristor. L'interrupteur 14 peut prendre une position ouverte, correspondant à l'état bloqué du thyristor, dans laquelle il bloque la circulation d'un courant électrique dans ladite ligne électrique principale 12, par exemple si la tension entre l'anode A et la cathode K est négative ou si cette tension est positive mais le courant entrant sur la gâchette Ga est nul. L'interrupteur 14 peut également prendre une position fermée, correspondant à l'état passant du thyristor, dans laquelle il autorise la circulation d'un courant électrique dans ladite ligne électrique principale 12, par exemple si la tension entre l'anode A et la cathode K est positive et qu'une impulsion en courant positive a été appliquée sur la gâchette Ga.
Tel qu'illustré en figure 1, le module de conversion 10 comprend en outre un dispositif de commande locale 16 relié électriquement à l'interrupteur, et plus précisément à la gâchette Ga de l'interrupteur.
Ce dispositif de commande locale 16 est configuré pour commander localement la mise en position ouverte ou la mise en position fermée de l'interrupteur 14, ou autrement dit la mise à l'état bloqué ou passant du thyristor. Pour ce faire, ledit dispositif de commande locale 16 est configuré pour transmettre à l'interrupteur 14 des signaux de commande. Ces signaux de commande présentent avantageusement la forme d'impulsions électriques, de préférence des impulsions en courant, transmises à la gâchette Ga du thyristor. Le dispositif de commande locale 16 comprend de préférence un pilote de grille (« Gate driver » en langue anglaise) configuré pour transmettre les signaux de commande audit interrupteur. Le dispositif de commande locale 16 présente avantageusement la forme d'une carte de commande.
Le dispositif de commande locale 16 est dédié audit interrupteur 14 de sorte qu'il assure uniquement la commande dudit interrupteur. Il ne s'agit donc pas d'un dispositif de commande centralisé.
Le module de conversion 10 comprend par ailleurs un circuit de récupération d'énergie électrique 18 connecté entre le terminal supérieur 10a et le terminal inférieur 10b, en parallèle de l'interrupteur. Le circuit de récupération d'énergie électrique 18 est configuré pour récupérer et emmagasiner de l'énergie électrique résultant de la circulation de courants au sein dudit circuit de récupération d'énergie électrique. Le circuit de récupération d'énergie électrique 18 est en outre configuré pour alimenter le dispositif de commande locale 16 en énergie électrique.
Selon l'invention, le circuit de récupération d'énergie électrique 18 comprend un transformateur 20. Le transformateur 20 est de type monophasé, de sorte qu'il comprend un enroulement primaire 20a et un enroulement secondaire 20b, isolés galvaniquement. Le transformateur est polarisé normalement. Le transformateur 20 est un transformateur basse-tension fonctionnant à une fréquence de 50Hz.
L'enroulement primaire 20a du transformateur 20 est connecté dans une boucle primaire 22 entre le terminal supérieur 10a et le terminal inférieur 10b du module de conversion 10. Un condensateur de découplage 24 est connecté en série avec l'enroulement primaire 20a du transformateur 20, dans la boucle primaire 22, entre le terminal supérieur 10a du module de conversion et ledit enroulement primaire 20a. En outre, une résistance 26 est connectée dans la boucle primaire 22 en série avec l'enroulement primaire 20a du transformateur 20 et le condensateur de découplage 24, entre ledit condensateur de découplage 24 et le terminal supérieur 10a. Dans cet exemple non-limitatif, le condensateur de découplage est donc connecté entre l'enroulement primaire 10a et la résistance 26.
Dans cet exemple non-limitatif, le condensateur de découplage 24 est un condensateur haute-tension ayant une capacité de 33 nanofarads. Il permet de filtrer la composante continue de la tension aux bornes de l'interrupteur 14, lorsque ce dernier est ouvert. Le circuit de récupération d'énergie électrique 18 comprend en outre un dispositif de stockage d'énergie électrique 28 comprenant dans cet exemple non limitatif un condensateur basse-tension ayant une capacité de 10 nanofarads. Le dispositif de stockage d'énergie électrique 28 est connecté dans une boucle secondaire 30 en série avec l'enroulement secondaire 20b du transformateur 20.
Par ailleurs, le circuit de récupération d'énergie électrique 18 comprend un montage redresseur 32 connecté dans la boucle secondaire 30, en parallèle du dispositif de stockage d'énergie électrique 28. Le montage redresseur 32 comprend une première borne supérieure 32a reliée à une première borne de l'enroulement secondaire 20b, une deuxième borne supérieure 32b reliée à une première borne du dispositif de stockage d'énergie électrique 28, une première borne inférieure 32c reliée à une seconde borne du dispositif de stockage d'énergie électrique, et une deuxième borne inférieure 32d reliée à une seconde borne de l'enroulement secondaire.
Le montage redresseur 32 comprend des première Di, deuxième D2, troisième D3 et quatrième D4 diodes. La première diode Di est connectée entre lesdites première et deuxième bornes supérieures 32a, 32b, et est passante en direction de la deuxième borne supérieure 32b. La deuxième diode D2 est connectée entre lesdites troisième et quatrième bornes inférieures 32c, 32d, et est passante en direction de la deuxième borne inférieure 32d. La troisième diode D3 est connectée entre la première borne supérieure 32a et la première borne inférieure 32c, et est passante en direction de la première borne supérieure 32a. La quatrième diode D4 est connectée entre la deuxième borne supérieure 32a et la deuxième borne inférieure 32c, et est passante en direction de la deuxième borne supérieure 32a.
En fonctionnement, une partie du courant circulant dans le dispositif de conversion 10 circule dans le circuit de récupération d'énergie électrique 18, lorsque l'interrupteur 14 est ouvert mais également lorsque ledit interrupteur est en position fermée. En conséquence, un courant primaire ii circule dans la boucle primaire 22 et donc dans l'enroulement primaire 20a du transformateur.
L'ensemble constitué de l'enroulement primaire 20a du transformateur 20 et du condensateur de découplage 24, connectés en série dans la boucle primaire 22, forme un pont diviseur de tension, en parallèle de l'interrupteur 14. Le transformateur impose une tension d'environ 300 Volts aux bornes de son enroulement primaire 20a. Compte- tenu du pont diviseur formé, cette tension est très inférieure à la tension aux bornes du condensateur de découplage 24, environ dix fois inférieure. En conséquence, la tension aux bornes du condensateur de découplage est du même ordre de grandeur que la tension aux bornes de l'interrupteur 14, lorsque l'interrupteur est ouvert. Selon l'invention, l'enroulement primaire 20a du transformateur 20 présente un nombre de spires supérieur au nombre de spires de l'enroulement secondaire 20b. De manière non-limitative, l'enroulement primaire comprend environ six fois plus de spires que l'enroulement secondaire. Le transformateur 20 permet donc d'imposer une tension aux bornes de son enroulement secondaire inférieure à la tension aux bornes de son enroulement primaire. Il permet également d'imposer un courant secondaire i2 circulant dans son enroulement secondaire 20b, et dans la boucle secondaire 30, supérieur au courant primaire ii circulant dans son enroulement primaire, environ six fois plus important. Autrement dit, le transformateur permet d'élever le courant entre son enroulement primaire et son enroulement secondaire.
L'invention permet d'obtenir un courant secondaire i2 important, de l'ordre de 60 mA, tout en conservant un courant primaire ii faible, de l'ordre de 10 mA. Le courant secondaire i2 est avantageusement au moins 5 fois, encore de préférence au moins 10 fois supérieur au courant primaire h. Ceci permet d'une part de disposer d'un courant secondaire suffisant pour charger le condensateur du dispositif de stockage d'énergie 28, afin qu'il puisse emmagasiner l'énergie nécessaire à l'alimentation du dispositif de commande locale 16. D'autre part, la possibilité apportée par l'invention de conserver un courant primaire h faible autorise l'utilisation d'un condensateur de découplage 24 de faible capacité, ici de l'ordre de 30 nanofarads, réduisant ainsi l'encombrement et le coût dudit condensateur de découplage 24 et du module de conversion 10 de manière générale.
Dans cet exemple non-limitatif, le transformateur 20 est configuré pour délivrer aux bornes de son enroulement secondaire 20b une tension environ égale à 50 Volts à partir d'une tension d'environ 300 Volts aux bornes de son enroulement primaire 20a.
Le montage redresseur 32 permet d'imposer une tension redressée positive aux bornes du dispositif de stockage d'énergie. Pour ce faire, les première et deuxième diodes DI,D2 sont dans un premier temps simultanément passantes tandis que les troisième et quatrième diodes D3,D4 sont bloquées, puis dans un deuxième temps, les première et deuxième diodes sont bloquées tandis que les troisième et quatrième diodes sont passantes, suivant l'évolution du courant secondaire sinusoïdal.
Dans cet exemple non limitatif, le circuit de récupération d'énergie électrique 18 comprend en outre une première diode d'écrêtage D5 et une seconde diode d'écrêtage D6 montées en série l'une de l'autre, tête-bêche, en parallèle de l'enroulement secondaire 20b du transformateur. Ces diodes d'écrêtage sont des diodes Zener. Elles sont configurées pour écrêter la tension aux bornes de l'enroulement secondaire, en car de tension trop importante. La figure 2 illustre une chaine de conversion 38 selon l'invention. Cette chaine de conversion 38 est adapté pour être implanté dans un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC).
Dans cet exemple non-limitatif, la chaine de conversion 38 comprend trois modules de conversion 10, tels que celui de la figure 1, connectés en série les uns par rapport aux autres dans ladite chaine de conversion. Chacun des modules de conversion 10 comprend un terminal supérieur 10a et un terminal inférieur 10b entre lesquels il s'étend. Le terminal inférieur 10b d'un module de conversion 10 est relié électriquement au terminal supérieur 10a du module de conversion 10 directement adjacent.
Sur cette figure 2, on constate que chaque module de conversion 10 comprend un dispositif de commande locale 16 dédié, qui lui est propre, permettant de commander localement l'interrupteur 14 dudit module de conversion. En d'autres mots, la commande des interrupteurs 14 des modules de conversion n'est pas centralisée.
La figure 3 montre trois graphiques (a), (b) et (c) illustrant respectivement l'évolution en fonction du temps de la tension aux bornes du condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28, des courants traversant ledit condensateur et de la tension aux bornes de l'interrupteur 14, lors du démarrage du module de conversion.
A l'instant initial t0, le condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28 est déchargé. Une tension alternative est appliquée aux bornes de l'interrupteur 14, tel qu'illustré sur le graphique (c). Un courant ii,i2 commence alors à circuler respectivement dans les boucles primaire 22 et secondaire 30. Le courant secondaire i2 redressé positif circule dans le condensateur du dispositif de stockage. Ceci se traduit sur le graphique (b) qui montre en trait plein un courant redressé positif circulant dans les première et deuxième diodes DI,D2 et en pointillés un courant redressé positif circulant dans les troisième et quatrième diodes D3,D4. Le condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28 se charge alors, ce qui s'accompagne d'une augmentation de la tension à ses bornes, comme on le constate sur le graphique (a).
A l'instant ti, le condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28 est pleinement chargé de sorte que la tension à ses bornes atteint un seuil haut et reste dès lors constante. Le courant secondaire i2 circulant dans ledit condensateur devient nul à l'instant ti.
La figure 4 montre quatre graphiques (a), (b), (c), et (d) illustrant respectivement l'évolution en fonction du temps de la puissance prélevée par le dispositif de commande locale 16 sur le dispositif de stockage d'énergie électrique 28, de la tension aux bornes du condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28, des courants traversant ledit condensateur et de la tension aux bornes de l'interrupteur 14, lors du fonctionnement normal du module de conversion, après l'étape de démarrage.
Chaque pic de puissance sur le graphique (a) correspond à la puissance électrique prélevée par le dispositif de commande locale 16 sur le dispositif de stockage d'énergie électrique 28. Le dispositif de commande locale forme une charge pour le module de conversion selon l'invention. A chacun de ces pics, on remarque sur le graphique (b) que la tension du condensateur du dispositif de stockage d'énergie électrique 28 et donc sa charge baisse soudainement, avant d'augmenter progressivement, ledit condensateur se chargeant alors de nouveau. Le graphique (c) montre le courant circulant dans la boucle secondaire et rechargeant le condensateur du dispositif de stockage d'énergie. Le graphique (d) montre la tension aux bornes de l'interrupteur 14.
La figure 5 illustre un convertisseur à courant continu haute tension (HVDC) 40 de type commuté par ligne (« Line Commutated Converter » ou « LCC » en langue anglaise). Ce convertisseur comprend un étage de conversion supérieur 42 et un étage de conversion inférieur 44. Chaque étage de conversion 42,44 comprend trois bras composés chacun d'un demi-bras supérieur et d'un demi-bras inférieur.
Dans chacun des demi-bras supérieurs et inférieurs est connectée une chaine de conversion 38 selon l'invention, telle que celle de la figure 2. Chaque chaine de conversion 38 comprend une pluralité de modules de conversion 10 selon l'invention, tel que celui de la figure 1. Les modules de conversion 10 sont connectés en série dans la chaine de conversion. Chaque étage de conversion du convertisseur est relié à une partie alternative du convertisseur via des transformateurs.

Claims

Revendications Module de conversion (10) pour une chaine de conversion d’un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), le module de conversion présentant un terminal supérieur (10a) et un terminal inférieur (10b) entre lesquels il s’étend, le module de conversion comprenant: une ligne électrique principale (12) s’étendant entre ledit terminal supérieur et ledit terminal inférieur; un interrupteur (14) connecté dans ladite ligne électrique principale et pouvant prendre au moins une position ouverte dans lequel il bloque la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale et une position fermée dans lequel il autorise la circulation d’un courant électrique dans ladite ligne électrique principale ; un dispositif de commande locale (16) relié électriquement à l’interrupteur et configuré pour commander la mise en position ouverte ou la mise en position fermée de l’interrupteur ; un circuit de récupération d’énergie électrique (18) configuré pour alimenter en énergie électrique ledit dispositif de commande locale, ledit circuit de récupération d’énergie électrique étant connecté électriquement entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion et comprenant un transformateur (20) comportant un enroulement primaire (20a) ayant une pluralité de spires, ainsi qu’un enroulement secondaire (20b) ayant une pluralité de spires, le nombre de spires de l’enroulement primaire étant supérieur au nombre de spires de l’enroulement secondaire, l’enroulement primaire étant connecté dans une boucle primaire (22), en série avec un condensateur de découplage (24), entre le terminal supérieur et le terminal inférieur dudit module de conversion, le circuit de récupération d’énergie électrique comprenant en outre un dispositif de stockage d’énergie électrique (28) connecté dans une boucle secondaire (30) comprenant ledit enroulement secondaire, le dispositif de stockage d’énergie électrique étant relié électriquement audit dispositif de commande locale, ledit dispositif de stockage d’énergie électrique étant configuré pour emmagasiner de l’énergie électrique résultant de la circulation d’un courant électrique dans ladite boucle secondaire, et pour restituer au moins une partie de cette énergie électrique au dispositif de commande locale, afin d’alimenter ledit dispositif de commande locale en énergie électrique.
2. Module de conversion selon la revendication 1, dans lequel le transformateur (20) présente un rapport de transformation compris entre 0 et 0.5 entre son enroulement primaire (20a) et son enroulement secondaire (20b).
3. Module de conversion selon la revendication 2, dans lequel l'enroulement primaire (20a) du transformateur (20) comprend entre 5 et 50 fois plus de spires que l'enroulement secondaire (20b).
4. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans lequel l'interrupteur (14) est un composant semi-conducteur, par exemple un thyristor, un transistor bipolaire à grille isolée ou une diode.
5. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le dispositif de stockage d'énergie électrique (28) comprend au moins un condensateur connecté dans la boucle secondaire (30) en série avec l'enroulement secondaire du transformateur (20b).
6. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans lequel le circuit de récupération d'énergie électrique (18) comprend en outre une résistance (26) connectée en série avec le condensateur de découplage (24) et l'enroulement primaire (20a) du transformateur (20) dans la boucle primaire (22).
7. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans lequel le condensateur de découplage (24) présente une capacité comprise entre 10 et 50 nanofarads.
8. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, dans lequel le circuit de récupération d'énergie électrique (18) comprend en outre un montage redresseur (32) connecté en parallèle du dispositif de stockage d'énergie électrique (28), le montage redresseur étant configuré pour imposer aux bornes du dispositif de stockage d'énergie électrique une tension redressée.
9. Module de conversion selon la revendication 8, dans lequel le montage redresseur (32) est un montage redresseur pleine onde, par exemple de type pont de Graetz.
10. Module de conversion selon la revendication 9, dans lequel le montage redresseur (32) comprend un pont de diodes comprenant quatre diodes (DI,D2,D3,D4), ledit pont de diodes étant configuré de sorte que seules deux des quatre diodes sont passantes à la fois. Module de conversion selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, dans lequel le dispositif de commande locale (26) est dédié à l'interrupteur (14) du module de conversion (10). Chaine de conversion (38) d'un convertisseur de tension, par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), la chaine de conversion comprenant au moins un module de conversion (10) selon l'une quelconque des revendications 1 à 11. Convertisseur de tension (40), par exemple de type convertisseur à courant continu haute tension (HVDC), comprenant au moins une chaine de conversion (38) selon la revendication 12.
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